Cell Death Dis | 川大华西二院孙华钦组磷酸化修饰组揭示唐氏综合征多器官发育不良新机制

2023-03-24 17:56:01, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

唐氏综合征（Down syndrome，DS），也称21三体综合征，是人类最常发生的染色体异常病症。由于患者的第21号染色体额外多出来一个拷贝，导致了一种具有相当大的表型差异性的综合征，包括智力障碍，发育畸形，特别是心脏和肠道，以及阿尔茨海默症的风险增加。胚胎组织中心（Embryonic Organizer）是一类细胞群，可指导相邻细胞发育成特定的器官和组织。DS的全身多器官异常的医学病理特征提示科学家从胚胎组织中心生成异常的角度研究其分子病因学。

近日，四川大学华西二院孙华钦老师团队在国际权威学术期刊Cell Death& Disease上发表题为“Embryonic organizer formation disorder leads to multiorgan dysplasia in Down syndrome”的研究论文。研究建立了DS斑马鱼模型，并运用磷酸化修饰组学分析进一步探究DS的分子病因学。研究揭示了DYRK1A基因过表达诱导β-连环蛋白和Hsp90ab1发生异常磷酸化，导致Wnt信号增强和TGF-β抑制，进而诱发多器官发育不良。体外调节Wnt和TGF-β信号之间的平衡可恢复DS斑马鱼和DS 患者分离的造血干细胞的异常增殖。景杰生物为该研究提供了磷酸化修饰组学技术支持。

DYRK1A（双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶 1A）是一种蛋白激酶，其基因位于人类21号染色体上，被认为是促发DS表型的关键基因。之前有研究报道Dyrk1A在小鼠中的过表达会导致显著的行为障碍。并且研究团队在前期研究中，发现Dyrk1A在组织发育和胚胎组织中心形成中发挥潜在作用。因此，研究人员首先过表达人类Dyrk1A基因建立了DS斑马鱼模型。研究发现DYRK1A过表达的斑马鱼胚胎模型显示出缩短/弯曲的体轴，胚胎组织中心和身体轴在早期胚胎发生过程中都明显受损，导致胚胎中的神经、心脏、血液和生殖细胞系统表现出明显的发育异常。这些多器官疾病与在DS患者中观察到的一致。

图1 DYRK1A过表达斑马鱼胚胎模型显示体轴缩短/弯曲

考虑到DYRK1A的蛋白激酶活性，研究者进一步使用TMT标记的磷酸化修饰组学定量技术，对注射人DYRK1A和 GFP mRNA的斑马鱼发育早期胚胎样本进行系统分析。研究发现注射DYRK1A mRNA会显著增加β-连环蛋白T551和S552氨基酸残基的磷酸化修饰水平，显著降低Hsp90ab1的S225和S254氨基酸残基的磷酸化水平。其中β-连环蛋白是未来背侧卵裂球中经典Wnt信号传导的关键效应物，在组织中心和前后轴的形成中起着至关重要的作用。进一步的机制分析发现，DYRK1A过表达增强Wnt/β-连环蛋白，并使Hsp90ab1的S225和S254残基去磷酸化来降低TGF-β信号传导。β-连环蛋白和Hsp90ab1的磷酸化位点是其与DYRK1A相互作用和信号转导所必需的。

图2 DYRK1A过表达胚胎的定量磷酸蛋白质组分析

基于上述数据，研究人员推测调节Wnt/TGF-β信号转导可能挽救DYRK1A过表达的胚胎。通过合成TGF-β配体sqt mRNA，及Wnt/β-连环蛋白抑制剂ICG-001来治疗DYRK1A过表达的胚胎，发现其能够显著降低组织发育异常发生率。值得一提的是，研究发现斑马鱼DS胚胎模型中的分子异常，同样存在于诊断为DS的胎儿的羊水细胞中。且TGF-β/Wnt 信号调节可改变DS 患者分离的造血干细胞 (HSC) 的异常状态。以上结果表明，研究建立的DS斑马鱼胚胎模型适用于DS研究，研究发现的分子机制在斑马鱼和人类之间是保守的。

图3 β-连环蛋白和Hsp90ab1的磷酸化位点是其与DYRK1A相互作用和信号转导所必需的

综上所述，当前对DS分子发病机制知之甚少，该研究选择DS关键激酶DYRK1A为研究对象，过表达人类DYRK1A建立了DS斑马鱼模型，结合磷酸化修饰组学技术，从胚胎组织中心的角度研究其分子病因学。研究发现DYRK1A过表达的斑马鱼胚胎表现为β-连环蛋白和Hsp90ab1的异常磷酸化，导致Wnt信号增强和TGF-β抑制，诱发胚胎组织中心形成和体轴发育障碍，进而导致多器官发育不良。调节Wnt和TGF-β信号可挽救斑马鱼胚胎和DS患者HSC中的器官发育异常。研究结果为胚胎组织中心形成和体轴发育提供了一种新的分子机制，同时为DS治疗提供潜在指导。