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hippo pathway 对动物器官生长的调节 精选

已有 26695 次阅读 2010-4-3 23:06 |个人分类:分子遗传|系统分类:论文交流| 癌症, 生长

      我下个星期会到华盛顿DC参加果蝇大会(http://www.drosophila-conf.org/2010/ )。这是一个以果蝇研究为主题的宣传遗传学教学和科研的大会,给做果蝇的人一个看看听听聊聊的机会。与小型的学术会议相比,果蝇大会更多“玩”的味道。

     跟别的大会一样,大会(plenary session)的演讲者都是这个行业的佼佼者。这次会议有三个华人演讲者。一位是Stower Institute Ting Xie,他的研究方向是生殖干细胞。另两位演讲者是约翰霍普金斯大学的Duojia PanDJ)和Elizabeth Chen,他们是夫妇。Elizabeth的研究方向是肌肉细胞的发育,而DJ的研究方向是hippo pathway信号转导。hippo pathway是近几年来的研究热点,它通过调节细胞分裂、细胞生长、细胞凋亡,继而控制细胞的行为和动物器官的生长。而这个领域的突破来自于果蝇的研究。这次果蝇大会的另一个演讲者Kenneth D. Irvine也是研究hippo pathway的。同一个大会邀请两位竞争对手来演讲,这是很少见。但也说明了这hippo pathway的重要性。

         hippo是河马的意思。也许你会觉得奇怪,在果蝇里首先发现的基因,怎么会和河马扯上关系?这可能跟做果蝇的人喜欢搞怪有关。果蝇的很多基因都是根据表型(phenotype)来命名的。果蝇遗传学的一大优势是可以诱导随机的突变,看到了表型以后,再克隆相关的基因,然后再深入研究这些基因的功能。这个过程通常叫forward geneticshippo基因的发现,也是遵循这么一个过程。在forward genetics筛选中,DJ及其他几个实验室发现了一个基因的突变可以让果蝇的器官生长失控,膨胀起来。如果只让这个基因在果蝇的眼睛和头部突变,那么这个果蝇就长得像河马一样(如下图)。

hippo基因在2003年被克隆出来,四个实验室几乎在同时发表文章。DJ是其中之一。hippo基因是一个激酶(kinase),它的功能是磷酸化别的蛋白质,继而调节这些蛋白质的活性 或稳定性。得到了这个结果以后,接下来要回答两个关键的问题:1hippo是通过影响哪些生物过程而达到细胞分裂生长失控的?  2hippo通过调节哪些靶标蛋白达到这个作用?又有什么样的上游蛋白调节hippo的活性和稳定性?

对于一篇好文章来说,第一个问题是必须回答的,因为这涉及到机理的框架。而第二个问题就复杂而细致,能有部分地回答,就算是有很好的突破了。

果蝇成虫期的眼睛、翅膀、腿等器官都是由幼虫期的皮层组织(epithelia)发育而成的。所以成虫期表现出来的生长失控,很可能是在幼虫阶段造成的。而造成一个器官的生长失控的最可能机理的机理有两个:1)细胞分裂增加;2)细胞凋亡减少。DJ为了检验这两种可能性,他们检查了影响这两个过程的关键基因(cycEDIAP1)的表达量。如果细胞分裂加快,那么cycE表达量会上升;如果细胞的凋亡减少,那么DIAP1表达量也会上升。他们的结果表明:hippo突变的细胞的cycEDIAP1同时上升(如下图)。这说明hippo突变的细胞分裂增加,同时凋亡减少,导致生长失控。

 

DJ下一步要做的是解释hippo是如何发挥这种作用的。一个简单明了的模型是:hippo通过磷酸化cycEDIAP1,从而严格控制这两个蛋白的活性;当hippo突变了之后,cycEDIAP1过多,导致了生长失控。但他们的结果却不支持这个模型。因为hippo突变直接提高了cycEDIAP1的基因表达(mRNA)水平,而不是在蛋白质水平上调节这两个基因。基因的表达是受转录因子(transcription factor)的调节。所以hippo可能是通过直接或间接地调节了某个或某些转录因子,然后再影响cycEDIAP1的表达。

  这样一来,问题就变得很复杂,似乎陷入了一个难以下手的状态。但研究不是孤立的,参考别人的研究结果很重要。在2002年,一个研究表明,有两个果蝇基因的突变,也可以导致生长失控的表型,而且也是通过调节cycEDIAP1达到这个效果的。这两个基因分别是savwtswts也是一个激酶,而sav似乎是一个起连接作用的结构蛋白 sav有调节wts激酶活性的作用,所以savwts的上游(upstream)。这样,就产生了一个想法:hippo, savwts会不会存在直接相互调节的关系?

解决这个问题的第一步是要搞清楚它们之间有没有相互作用?谁作用于谁?遗传学是分析这些关系的理想方法。DJ也很快通过遗传学实验,得知:hipposav相互作用,然后再调节wts的活性。

这只是遗传学的证据。DJ接下来要验证hippo是不是在分子水平上可以直接磷酸化wts? 他们的分子生物学结果证明hippo确实可以直接磷酸化wts,而且也直接磷酸化sav

这样,一个hippo pathway的雏形就出来了(如下图)。

                                  

DJ实验室的这篇2003年的文章以及其他的三篇与hippo相关的文章在hippo pathway的研究历史上,可以说是有划时代意义的。虽然这个pathway上的另两个成员savwts被更早地发现,但在hippo被发现以前,它们都只是“孤儿蛋白”;hippo被发现以后,才算串起了一个pathway

对于一个pathway来说,接下来的重要又显而易见的问题是:什么上游的信号调节hippo? Wts调节什么样的下游基因?从2003年至今,这个领域可以说取得了爆炸式的发展。光是用果蝇研究hippo的实验室就不下10个。因为hippo对生长调节的重要作用,用哺乳动物为模型来研究癌症的很多实验室也纷纷加入到这个行列。结果证明,在不同动物中,hippo pathway在分子水平上是很保守,而且在动物的器官生长调节中的功能也是非常保守的。

研究至现在,hippo pathway已经基本清楚了(如下图)。感兴趣的博友可以读一些专业的文章。但hippo pathway在癌症治疗中的作用,以及它在整个基因网络中的作用,还需要大量的研究。这才是一个开始。

                                   

除了发现hippoDJ的另一个关键贡献是发现了wts所调节的转录激活子yki。鉴于他的杰出科学能力,他在2008年被选为HHMI研究员。 

hippo pathway的研究中,除了DJ,另外四位华人科学家Tian Xu (Yale)Zhichun Lai (penn state U)Jing Jiang (UT SMC)Kunliang Guan (UCSD)也作出了重要贡献。

Further reading:

Herding Hippos: regulating growth in flies and man.

Hippo signaling in organ size control.



http://blog.sciencenet.cn/blog-216720-308676.html

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