表观遗传机制调控Notch信号途径

Notch signaling is evolutionally conserved from Drosophila to mammals. It plays critical roles in many cellular processes including cell fate determination, cell proliferation and cell death. To interrogate the upstream regulatory network of Notch signaling, we identified a highly conserved gene stuxnet (stux), utilizing ample genetic tools and well-annotated genome information available in Drosophila. Excitingly, we found that Stux may function upstream of Polycomb-Group (PcG) member Pc to regulate Notch RNA production. PcG proteins function to ensure correct deployment of developmental programs by epigenetically repressing target expression. Despite the importance, few studies have been focused on the regulation of PcG machinery itself. Here, we propose to investigate the molecular mechanism by which Stux regulates Pc to control Notch signaling. We plan to conduct developmental, cellular and biochemical studies in Drosophila as well as mammalian tissue culture system. The specific Aims are as follows:.1) Determine the relationship between Stux, Pc and Notch signaling;.2) Investigate how Stux regulates Pc protein abundance and PcG complex dynamics;.3) Examine the evolutionary conservation of Stux activity between Drosophila and Mammals...Given that Notch signaling and PcG complex are highly conserved from insect to humans, the proposed studies of the normal physiological roles of Stux on Pc in Notch signaling are anticipated to be helpful for developing novel approaches to prevent and treat Notch and epigenetics related birth defects and human diseases.

Notch信号广泛参与细胞命运决定、增殖和凋亡等生命过程。为系统揭示Notch信号调控网络，本实验室在果蝇中开展遗传筛选，发现了一个新的Notch正向调控因子stuxnet (stux)。实验基础表明，Stux可能通过调控多梳复合体PcG核心组分Pc进而调节Notch基因转录。PcG复合体是表观遗传调控的核心元件。表观遗传作为一种高度保守的基因表达调控手段，在发育和生理过程中起重要作用。由于表观遗传的上游调控机制迄今还鲜见报道，本研究将拓展表观遗传学调控网络，开启表观遗传调控研究的新思路。因此提出本项目申请，拟从以下三方面研究：Stux是否通过Pc在表观遗传层面调控Notch信号通路；Stux以何种方式调节Pc和PcG复合体的功能；Stux对Pc的调节在演化上是否保守。鉴于Notch信号及PcG在果蝇与哺乳动物中的保守性，本课题将会为Notch信号和表观遗传相关疾病提供诊断和治疗的理论基础

发育信号在胚胎发育和成体稳态维持等生命过程中发挥重要作用。目前关于发育信号转转导的研究，主要集中于探究这些信号通路下游靶基因及其转录调控的分子机制，但关于分布于细胞膜上的信号通路受体和配体如何实现其时空特异的表达，以及它们如何在细胞膜感知和响应发育信号的机制仍知之甚少。在本课题的研究工作中，我们通过遗传筛选，发现了一个参与蛋白降解的新调控因子Stuxnet（Stx），参与多种发育信号的调控网络。我们的第一项工作发现Stx是Notch信号通路的正向调控因子。Stx通过促进表观遗传抑制复合体PcG的关键组分Polycomb（Pc）的降解，从而解除Polycomb-group（PcG）蛋白对靶基因Notch的转录抑制。同时，stx基因的转录也受到Notch信号通路的正向调控。因此，Stx与Notch信号通路之间的相互作用形成了一个正向反馈环路。更为重要的是，我们也阐明了该正反馈环路的刹车机制：发现LncRNA通过与stx mRNA的5’UTR结合，抑制stx的翻译，从而防止了该正反馈环路的过度激活。本研究阐释的这一正向反馈系统对于果蝇发育过程中Notch信号活性的放大和稳态维持具有重要的生理功能。这部分工作已经撰文总结完毕，投稿经同行评议后正在修改过程中。我们的第二项工作发现Stx相互作用蛋白——磷酸酶PP6的催化亚基PpV参与Hedgehog（Hh）信号转导稳态的维持。阐释了PpV通过竞争结合磷酸酶PP2A调节亚基Widerborst（Wdb）介导Wdb蛋白降解，并且作为Hh发育信号的直接感受器精密调节Hh信号转导活性稳态的作用机制。本工作解析了Hh信号转导的关键节点，进一步理解了Hh信号稳态调控的分子机制，有重要的临床应用潜能。这一新机制已在Journal of Cell Biology上发表。综上所述，本项目的研究工作揭示了Stx在多种发育信号通路稳态维持过程中的生理功能，丰富了Notch和Hh信号通路的发育调控网络。同时，本研究也首次揭示了表观遗传重要调控因子Stx的上游调控机制，为发育信号通路调控表观遗传提供了理论依据。