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Science丨解密内皮细胞向造血干细胞转变的“sugar code”

在脊椎动物的发育过程中,最早一批的造血干祖细胞(HSPCs)是由血管内皮细胞(ECs)转分化而来,这一过程也被称为EHT(endothelial to hematopoietic transition)。目前只知道EHT是在一类具有造血潜能的内皮细胞(hem ECs)内发生,但其中的分子机制却并未研究清楚。而这其中最核心的科学问题在于:在EHT的发生过程中内皮细胞与造血干细胞相关基因的表达究竟是如何被调控的?

2020年12月4日,来自耶鲁大学医学院心血管研究中心的Stefania NicoliKaren K. Hirschi研究团队合作在Science上发表了题为:“The N-glycome regulates the endothelial-to-hematopoietic transition”的研究文章,揭示了由miR-223介导的糖基化修饰在EHT转化中的关键调控作用。


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该团队在前期的研究工作中发现, miR223的敲除会使得斑马鱼体内HSPCs数目大大增加【1】,但是miR-223是否参与到EHT转化过程在当时并不清楚。因此这篇文章中,作者对miR-223的功能展开了深入探究。通过在斑马鱼中构建一个转基因的报告系统,他们发现miR-223在处于EHT转化的内皮细胞中是高表达的,这提示miR-223可能参与到内皮细胞的EHT转化过程。进一步的实验结果表明:miR-223会抑制hem ECs的EHT转化,并减少HSPCs的生成。

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为了探究miR-223如何抑制内皮细胞的EHT转化,作者对WT和miR-223Δ/Δ内皮细胞进行了转录组学分析,他们发现一些参与糖基化修饰(N-glycosylation)蛋白的转录水平发生了显著改变,提示这些调控糖基化修饰的代谢酶可能是miR-223的靶基因。于是作者对此展开验证,他们发现miR-223可以通过结合到alg2 和st3gal2的3’UTR区域来抑制这两个基因的转录,同时在miR-223Δ/Δ胚胎中敲低alg2 和st3gal2的表达能够有效逆转HSPCs的异常增多。这些实验结果提示miR-223可能是通过调控alg2 和st3gal2介导的糖基化修饰来控制内皮细胞的EHT转化。

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糖基化是一类在蛋白加工成熟过程中最为常见的翻译后修饰,并且对蛋白质的功能具有十分重要的调控作用。那么,接下来要回答的问题是:糖化修饰是如何来影响EHT转化?为了回答这个问题,作者分析了WT和miR-223Δ/Δ内皮细胞的糖基化组,他们发现miR-223的敲除会使得细胞内的糖基化类型由高甘露糖(mannose)向唾液酸(sialic acid)修饰转变。最终,作者在糖基化组中找到一个他们非常感兴趣的蛋白—金属蛋白酶Adam10a,并且该蛋白的甘露糖修饰水平在miR-223敲除之后改变最为明显。Adam10a参与很多细胞生长因子的切割与成熟,如Notch,Vegfr2以及TNF-α,而这些细胞因子在之前的研究中被报道调控EHT的转化【2,3】。这说明miR-223是通过降低Adam10a的高甘露糖修饰与功能,从而抑制了内皮细胞的EHT转化。

综上,该研究团队基于前期的研究结果,找到了胚胎发育过程中调控内皮细胞向造血干细胞转变的关键调控因子—miR-223,并阐明其作用机制是通过改变细胞内的糖基化组以及关键蛋白Adam10a的糖基化修饰状态来实现的。这一发现揭示了“sugar code”在胚胎发育过程中关键作用。


原文链接
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaz2121


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