HAM-1蛋白调控线虫Q神经前体细胞不对称分裂机制研究

Asymmetric cell divisions generate two daughter cells of distinct fates and are essential for organismal development, adult tissues maintenance and regeneration. Abnormal ACDs cause severe developmental defects and diseases. Recent research in the C. elegans Q neuroblast reported a novel myosin II polarization-based mechanism for asymmetric cell division, but the underlying mechanism remains elusive. We have thus performed a forward genetic screen to isolate mutations defective in Q cell asymmetric division. By genetic mapping and gene cloning, we obtained two mutant alleles of ham-1 gene that causes abnormal Q cell division. The gene ham-1 encodes a conserved protein with unknown function, and sequence alignment reveals a DNA binding domain. Our proposed research aims to understand the function of ham-1 in asymmetric cell division. We will combine fluorescence time-lapse imaging with genetic, biochemical and bioinformatics approaches to study spindle position and contractile ring dynamics during asymmetric division in ham-1 mutant, to study ham-1 expression pattern and protein localization, to isolate binding partners of HAM-1 protein and to construct the HAM-1 based regulatory network of Q cell asymmetric division. We expected that our research will advance our understanding of asymmetric cell division and neural development and provide valuable insights for stem cell biology and regenerative medicine.

不对称细胞分裂产生两个命运不同的子细胞，是多细胞动物个体发育、成体组织维持及再生的细胞学基础，其异常可导致发育缺陷和重大疾病。在对线虫Q神经前体细胞的研究中，申请人所在课题组成员发现了一种全新且保守的基于肌球蛋白极性分布的不对称分裂机制，但其调控方式的研究相对空白。为此，申请人对线虫Q细胞发育进行正向遗传筛选及突变体遗传定位，发现了调控Q细胞不对称分裂的关键基因ham-1。ham-1编码功能未知的保守蛋白，序列分析带有DNA结合域。本项目将利用活体原位时序荧光成像技术，结合遗传学、生物化学和生物信息学等多种方法，揭示ham-1突变体中纺锤体排布和收缩环动态分布的异常，阐明ham-1基因的表达模式以及HAM-1蛋白的胞内定位，寻找其协同作用分子，深入理解HAM-1参与的Q细胞不对称分裂的调控分子网络。本课题的研究预期加深对神经发育等重要生物学过程的理解，为再生医学和相关疾病防治提供科学启示。

多细胞动物个体发育过程中，细胞通过不对称分裂产生不同命运的子代细胞具有重大意义，同时也构成成体组织维持和再生的细胞学基础，细胞分裂不对称性的异常可导致发育缺陷和包括癌症在内的各种重大疾病。线虫Q 神经前体细胞的发育经历三次不对称细胞分裂，最近在对其中Q.a细胞不对称细胞分裂的研究中，发现了一种全新的基于肌球蛋白NMY-2极性分布的不对称分裂机制。该机制已被证明在物种间具有保守性，但对这种极性建立和调控的方式缺乏深入研究。为此，申请人对线虫Q 细胞发育进行了正向遗传筛选，寻找可能的调控因子。通过对异常产生多余神经元的突变体进行遗传定位和基因克隆，发现了编码功能未知蛋白的保守基因ham-1，其突变可特异造成基于肌球蛋白NMY-2极性分布的Q.a细胞分裂不对称性被扰乱，而基于纺锤体偏移的Q.p细胞分裂不对称性不受影响。结合活体荧光成像技术，遗传学、和生物信息等多种方法，我们对HAM-1的研究主要得到以下发现：1） HAM-1蛋白在细胞水平特异调控Q神经前体细胞子代Q.a的不对称分裂，而对Q.p细胞分裂不对称性无影响；2）HAM-1蛋白可能在多个层面调控Q.a细胞不对称分裂机器，包括不对称关键决定因子NMY-2的极性分布，以及纺锤体在细胞中心的精准定位；3）HAM-1蛋白具备转录因子特征-序列分析显示有潜在DNA 结合结构域，细胞间期完全定位于细胞核内；4）HAM-1蛋白可以结合Q细胞不对称分裂调控因子pig-1转录启动子区域，实验证明它可以调控pig-1基因表达水平。以上，本课题克隆了保守基因ham-1，解析了其作为转录因子在调控线虫不对称分裂中的功能，加深了领域对NMY-2极性分布这一全新不对称分裂细胞生物学机制分子调控网络的理解，可能为再生医学和相关疾病防治提供科学启示。