2022-12-15 07:16:05, 景杰生物 杭州景杰生物科技股份有限公司
景杰生物 | 报道
间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs) 是一类多能干细胞,具有自我更新和多向分化的能力。在一定的诱导条件下它可以分化为骨祖细胞或其他祖细胞,如前脂肪细胞和前软骨细胞,最终形成骨、骨髓脂肪或软骨组织,该过程受到了信号通路的严格调控。溶酶体在传统意义上是细胞内处理和回收废弃物质的“垃圾桶”,但近期研究显示其还是细胞的动态信号中枢,参与多种生物过程的调控。然而溶酶体在MSCs分化中的作用和潜在机制尚不清楚。
近期,南方医科大学基础医学院白晓春和邹志鹏研究团队在国际知名学术期刊Developmental Cell (IF=13.417) 上发表了题为Vangl2 limits chaperone mediated autophagy to balance osteogenic differentiation in mesenchymal stem cells 的研究论文。该研究首次发现溶酶体的一种亚类-分子伴侣介导的自噬 (chaperonemediated autophagy, CMA) 定向的溶酶体,通过降解多种阻碍成骨分化的蛋白质,例如成脂和成软骨分化的关键因子TLE3、ZNF423和SOX9,从蛋白组学层面调控MSCs的分化进程,从而平衡MSCs的成骨分化。该论文还被F1000Prime列为推荐论文,景杰生物为该研究提供了4D蛋白质组学分析。
01 CMA溶酶体促进MSCs的成骨分化
研究人员对经过3天成骨 (osteoblast,OB) 分化诱导的C3H10T1/2 MSCs细胞进行RNA-seq分析,发现许多溶酶体相关基因显著上调。此外,MSCs的溶酶体标志物LAMP-2A (CMA特异性受体) 显著上调,而巨自噬和溶酶体生物发生的标志物水平无明显改变。随着LAMP-2A水平的增加,MSCs在OB分化过程中产生了更多、活性更高的CMA溶酶体,因此,CMA溶酶体能促进MSCs的早期成骨分化,随后他们还证明CMA溶酶体抑制了MSCs的脂肪和软骨分化。
图1 CMA溶酶体对MSCs的成骨分化至关重要
02 Vangl2调控LAMP-2A表达和CMA活性
衰老过程中的成骨分化受损会引起LAMP-2A水平下调,为了明确LAMP-2A调节OB分化的分子机制,研究人员通过iTRAQ-LC-MS/MS蛋白质组学方法分析了16个月小鼠 (老年小鼠) 与3个月小鼠 (年轻小鼠) 股骨远端的差异表达蛋白,发现Vangl2 (平面细胞极性PCP的关键调节因子) 的表达在OB分化过程中上调超过3倍,这表明Vangl2可能是MSC分化的关键调节因子。后续研究进一步证实Vangl2可抑制LAMP-2A表达,降低CMA溶酶体的数量和活性,进而负调控MSCs的OB分化,抑制骨形成。
图2 Vangl2抑制MSCs中的LAMP-2A表达和CMA活性
03 Vangl2与LAMP-2A在溶酶体DRM共定位
为了探究Vangl2调控LAMP-2A的分子机制,研究人员分析了Vangl2在MSCs的亚细胞定位,结果发现在未分化的MSCs中,Vangl2主要定位于LAMP-2A+溶酶体/晚期内体,且大部分Vangl2与GM-1神经节苷脂 (抗去垢剂结构域DRM的标志物) 共定位,即Vangl2高度富集于CMA溶酶体膜的脂筏中,研究进一步发现Vangl2能结合LAMP-2A并将后者锚定在这些脂筏中,促使其被组织蛋白酶A降解,从而自我限制此类溶酶体的CMA活性。
图3 Vangl2与LAMP-2A在溶酶体DRM共定位
04 Vangl2-LAMP-2A协同清除多种关键成骨抑制因子
为了进一步探索Vangl2-LAMP-2A信号通路介导的CMA溶酶体对OB分化的调控机制,研究人员运用4D蛋白质组学技术分析了Vangl2敲低引起的组学改变,最后鉴定到下调至少2倍的52种蛋白质,其中40种蛋白质存在LAMP-2A识别的KFERQ序列,它们可能是CMA溶酶体的潜在靶标。随后,研究人员筛选出一些关键的成骨抑制分子,如成脂和成软骨分化的关键因子TLE3、ZNF423和SOX9,研究发现它们在成骨分化过程中被逐渐降解,从而清除了MSCs通往OB道路上的“障碍”。这些证据表明Vangl2-LAMP-2A介导的CMA溶酶体可选择性地降解多种关键成骨抑制因子,实现MSCs分化重编程,促进成骨分化。
图4 Vangl2-LAMP-2A协同清除多种关键成骨抑制因子
综上所述,该研究通过蛋白质组学分析阐述了溶酶体在MSC多向分化中的关键作用,首次揭示了Vangl2独立于PCP信号通路的重要功能,阐明了Vangl2-LAMP-2A信号通路自限CMA溶酶体活性的重要功能,也提示通过基因编辑等方法精确控制Vangl2的表达及CMA溶酶体活性,可能为利用间充质干细胞防治骨质疏松、骨缺损及骨代谢失衡等相关疾病提供潜在策略。
图5 研究机制图解
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参考文献
1. Yan Gong, et al. 2021. Vangl2 limits chaperone mediated autophagy to balance osteogenic differentiation in mesenchymal stem cells. Developmental Cell.
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