去泛素化酶UBPY调控果蝇翅发育的作用机理

Understanding the regulatory network during insect wing development is scientifically important and has great potential in pest control. The deubiquitinating enzyme UBPY is essential for insect wing development, but the underlying mechanism is not fully understood. It has been reported that UBPY can modulate Wingless and Hedgehog signaling pathways. We have shown that UBPY is able to regulate multiple signaling molecules which are required for wing development. We also found that UBPY stabilizes Hrs protein, an essential subunit of the ESCRT-0 (endosomal sorting complex required for transport-0) complex. The importance and complexity of UBPY’s role during wing development awaits further investigation. Drosophila melanogaster is widely used as a model insect for genetics and developmental studies. We propose to investigate the molecular mechanism of UBPY during wing development in Drosophila. The specific scientific problems we aim to pursue are: how UBPY regulates multiple developmental signaling pathways; how UBPY regulates the homeostasis of ESCRT-O complex; and how the activity of UBPY is regulated. Our proposed studies will help to reveal the integrated role of UBPY in regulation of insect wing development.

昆虫翅发育调控机制研究具有重要的科学意义和良好的害虫生防应用前景。去泛素化酶UBPY在翅发育过程中起重要的调控作用，但其作用机理仍然未被充分理解。已有报道表明UBPY可以影响Wingless及Hedgehog信号通路，而我们发现UBPY能够调控多个与翅发育相关的重要信号分子。我们还发现UBPY通过调节转运必需内体分选复合物ESCRT-0亚基Hrs的稳定性来调控内体运输途径。可见UBPY在翅发育过程中处于比较上游的调控地位，其功能的重要性和复杂性需要深入研究。模式昆虫黑腹果蝇是长期用于遗传学和发育生物学研究，是探索UBPY生物学功能的理想材料。本项目将在果蝇中集中研究UBPY调控昆虫翅发育的关键科学问题，包括：UBPY对不同发育信号通路调控的分子机制；UBPY调控ESCRT-0复合体稳态的具体机理；UBPY活性的调控方式。通过上述研究，希望能揭示UBPY对昆虫翅发育的综合调控作用机理。

在本课题的支持下，开展了对去泛素化酶UBPY调控果蝇翅发育的作用机理研究，取得了良好的进展。我们的研究表明UBPY调控Notch及Dpp信号通路重要分子Notch、Delta及Tkv的亚细胞定位、稳定性和活性。在UBPY功能缺失的细胞中，由于内体运输途径异常导致这些信号分子的亚细胞定位发生明显改变，聚集在异常增大的内体状结构中。体内过表达实验发现UBPY蛋白通过去泛素化信号分子增强其稳定性，并激活相关信号通路下游靶基因表达。结合使用遗传学、细胞生物学、生物化学和小分子抑制剂处理技术，明确了UBPY在果蝇体内保护STAM和Hrs蛋白不被溶酶体途径所降解，厘清了UBPY调控ESCRT-0复合体稳态的作用机制。系统性地分析了UBPY蛋白结构域的不同功能，发现MIT及RHO结构域缺失导致过度激活，SBM突变引起活性丧失，而CA突变表现为显性抑制。上述突变形式对Notch及Dpp通路的活性均有显著影响。UBPY功能获得型突变与多种人类恶性疾病相关，据此构建了表达病理性活化状态UBPY的转基因果蝇，发现其激活多个发育信号通路，导致翅芽过度增殖并引起发育迟缓和器官衰竭。进一步分析表明该突变型UBP激活JAK-STAT信号通路，并通过其下游的两个外泌蛋白ILP8和IMPL2引起发育迟缓和器官衰竭。以此为基础构建了翅芽上皮肿瘤模型，和国内同行合作成功筛选获得了能高效抑制果蝇UBPY和人同源蛋白活性的小分子。后续将深入研究UBPY调控JAK-STAT信号通路的分子机制，并推进小分子抑制剂的作用机理研究。. 在本项目的资助下，初步阐释了Dpp通路通过Shn/Mad/Med复合体抑制Wg基因表达的作用机制；分离并鉴定了mastermind和Mad基因的新突变体；分析了V-ATPase a亚基的不同异构体在翅发育过程中的功能；解析了泛素连接酶UbcD1调控Notch信号通路的作用机制。这些研究揭示了翅发育过程的新调控因子和作用机制，为破译翅发育的调控网络奠定了基础。. 相关工作在项目资助期间共发表8篇科学论文，项目负责人均为唯一通讯作者，其中6篇该项目为第一标注，2篇为第二标注。