Smad5介导的线粒体代谢转换通路在早期胚胎发育中的作用研究

Emerging evidence starts to show that mitochondria mediated metabolic transition from glycolysis to mitochondrial oxidative phosphorylation is critical for early embryonic development, while the molecular mechanisms of metabolic transition in early embryonic development is unknown. Our previous studies have shown that Smad5 possesses a bone morphogenetic proteins (BMPs) signaling independent role in regulating metabolic transition and maintaining of cellular bioenergetic homeostasis. Studies showed that Smad5 knockout mice died at embryonic stages, while whether the lethality of Smad5 knockout mice was caused by inhibition of BMP signaling or abnormally metabolic transition remains elusive. This application is intended to build transgenic mice by knocking in GFP-Smad5 and its mutants, and to cross with Smad5 knockout mice to generate mice with exogenous Smad5 and its mutants overexpression in a Smad5 knockout background. Based on this research platform, we will study the function of Smad5 in mitochondria-mediated metabolic transition and its mechanism in early embryonic development. This work will help to strengthen our understanding towards the role of metabolic transition and its mechanism in early embryonic development.

越来越多的证据提示，线粒体介导的由无氧酵解到氧化磷酸化的代谢转换通路在早期胚胎发育中可能起着重要作用，但早期胚胎发育过程中决定代谢转换的分子调控机制仍不清楚。我们已经发表的工作发现，Smad5存在不依赖BMP信号的非经典调控功能，即在调控代谢转换及维持细胞内能量稳态方面起着非常重要的作用。Smad5基因敲除小鼠早期胚胎致死，但是致死原因是因为经典BMP信号缺失还是代谢转换异常引起的仍然是未知的科学问题。本申请拟通过构建敲入GFP-Smad5及其突变体的转基因小鼠，并与Smad5基因敲除小鼠杂交，从而获得外源敲入Smad5及其突变体且内源Smad5敲除的小鼠胚胎。在此基础上研究早期胚胎发育中，Smad5在调控线粒体介导的代谢转换通路中的功能及机制。此工作将有助于我们解析代谢，尤其是由无氧酵解到氧化磷酸化的代谢转换通路在早期胚胎发育中作用，并进一步深入研究这一代谢转换的分子调控机制。

线粒体介导的由无氧酵解到氧化磷酸化的代谢转换在早期胚胎发育过程中起着重要作用，但其分子机制仍不清楚。本项目主要基于我们前期研究发现位于经典BMP 信号通路下游转录因子Smad5 的一个全新功能。即Smad5 在介导代谢转变及维持细胞内能量稳态方面发挥着重要作用。基于这一研究基础，本研究旨在研究敲除Smad5 引起小鼠胚胎发育的缺陷及Smad5 发挥功能的发育阶段；研究Smad5 在线粒体介导的代谢转换在小鼠早期胚胎发育中的功能；以及研究Smad5 调控线粒体介导的代谢转换的分子机制。我们的研究发现Smad5敲除的小鼠胚胎发育异常，在胚胎期9.5天，敲除Smad5引起神经发育迟缓、肌肉细胞分化提前、胞内代谢紊乱等症状；Smad5敲出引起线粒体有氧代谢水平降低、线粒体功能异常。我们通过在小鼠ROSA26位点，构建敲入 GFP-Smad5、GFP-Smad5_E1E2、GFP-Smad5_K 及GFP-Smad5_2A的转基因小鼠，并将敲入Smad5及其突变体的小鼠与Smad5杂合子小鼠杂交，以研究Smad5介导的BMP信号及代谢调控功能在小鼠早期胚胎发育中的作用。研究表明，GFP-Smad5_K能挽救Smad5敲除小鼠致死表型，这说明Smad5在胞浆中介导的代谢转换通路在小鼠早期胚胎发育中起着关键作用。本项目在体内证明线粒体介导的由无氧酵解到氧化磷酸化的代谢转换在早期胚胎发育过程中重要作用，并提出了Smad5在这一过程中的重要作用，说明Smad5在调控线粒体介导的代谢转换通路中起着非常重要的作用，并且这些功能与其介导的经典BMP信号无关。我们的研究证明Smad5介导的线粒体代谢转换通路在早期胚胎发育中的重要作用。