前列腺素信号通路在细胞纤毛生长与器官形态发育中的调控机制

Cilium, a microtubule-based organelle that projects from the cell surface, has crucial roles in cell signaling transduction, organ morphogenesis and human physiology. How cilia form and grow, as well as regulate organ morphogenesis is an important question. We have recently identified that Prostaglandin (PG) signaling pathway is required for ciliogenesis and regulates the laterality of the heart and other organs（Nature Cell Biology,2014 ). We plan to study the roles of PG influx transporter SLCO2A1 during ciliogenesis; and understand whether SLCO2A1 and ABCC4, the PG efflux transporter, coordinate to control the extracellular PG during ciliogenesis. We will investigate the interactions of the Prostaglandin G-protein coupled receptors in cilia formation, and analyze their specific roles in cilia. Phosphoproteomics analyese will be conducted to identify axoneme proteins whose phosphorylation states are dependent on PG-cAMP signaling. Finally, we will test whether the ciligenic roles of PG signaling are conserved in mammalian animals. The findings of this proposal will provide new insights into mechanisms of ciliogenesis during development.

纤毛是以微管为主体伸向细胞外的突起，参与信号转导、器官形态发育及人体重要生理功能。纤毛如何形成、生长及调节组织器官发育是一个重要的科学问题。我们最新研究发现前列腺素信号通路能够调控纤毛形成和生长，并深刻影响心脏等器官的左右不对称发育 ( Nature Cell Biology,2014)。本项目采用遗传学与细胞和发育生物学相结合的方法，研究前列腺素入胞转运蛋白SLCO2A1在纤毛生长中的功能，探索SLCO2A1和ABCC4转运蛋白如何相互作用调节前列腺素水平与纤毛生长。在此基础上，我们将研究前列腺素G蛋白偶联受体在纤毛生长中的相互作用机理，解析其定位于纤毛膜的特殊功能；并在全细胞范围内寻找和发现参与纤毛内蛋白运输并依赖于前列腺素及其下游cAMP信号的磷酸化蛋白；同时，确定前列腺素信号在哺乳动物体内对纤毛生长及器官形成的调控机制与功能保守性。期望此项研究能在纤毛与器官发育机制方面有新的认识。

纤毛是以中心体为基体,由微管组成突出于细胞表面的细胞器，在胚胎发育、器官形成、细胞信号转导及人体生理功能维持等方面发挥着关键作用。前列腺素E2 (Prostaglandin E2，PGE2)是一种存在于人体和动物体内的一类具有多种生理作用的活性物质，参与调控机体炎症反应、生殖、心血管稳态和肿瘤发展等多种生理和病理过程。纤毛结构或功能缺陷可导致多种人类遗传疾病，称为纤毛病，主要表型包括视网膜变性、脑水肿、内脏器官翻转和多囊肾等。我们前期研究表明PGE2由ABCC4转运蛋白从细胞内转运至细胞外，与纤毛膜定位的G蛋白偶联受体EP4结合，进而调控纤毛生长和器官的不对称发育，但其细胞和分子机理及作用的保守性还没有研究清楚。通过本课题研究，我们获得了如下研究成果：1）发现前列腺素信号通路在视网膜发育中调控感光细胞连接纤毛及其感光细胞发育的作用机制。2）纤毛相关中心体蛋白 (Tubgcp3) 缺失会引起视网膜前体细胞分裂周期阻滞，导致视网膜细胞衰老与凋亡。3）发现PGE2受体EP4定位于斑马鱼体内纤毛及小鼠肾小管纤毛内，并证明EP4第三胞内环氨基酸序列是纤毛定位信号序列。4）在EP4敲除小鼠中，发现胚胎成纤维细胞与肾小管上皮细胞呈现纤毛生长异常以及肾功能不全，确定了前列腺素信号在哺乳动物体内对纤毛生长的功能保守性。上述研究成果丰富了纤毛生长和器官形态发育的调控理论，为探索人类纤毛疾病的致病机制提出了新的启示。