王雁玲/王初/陈兴团队合作揭示O-GlcNAc修饰调控人类胎盘滋养层细胞分化的机制—王雁玲研究组

2023-03-10

中国科学院动物研究所王雁玲研究组、北京大学王初研究组与陈兴研究组合作发现,PKA可诱导人胎盘滋养层细胞中多种蛋白发生快速而持续的O-GlcNAc修饰,其中胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)发生O-GlcNAc修饰后酶活性增强,促进H2S的产生并抑制雄激素受体(AR)的二聚化,从而阻碍了雄激素所增进的滋养层细胞合体化。

北京时间2021年2月24日,Cell Chemical Biology在线发表了这一研究成果。

O-GlcNAc修饰是真核细胞中广泛存在且动态变化的翻译后修饰,修饰的位点为蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基。目前,已发现了超过2000种人类O-GlcNAc修饰蛋白,涉及多种细胞过程。已有的文献表明,O-GlcNAc修饰涉及胚胎的发育及子代的健康,然而具体的机制却犹未可知。

作为哺乳动物妊娠期特有的临时器官,胎盘对胎儿的宫内发育至关重要。胎盘的最外层覆盖着一层合体滋养层细胞(Syncytiotrophoblast,STB),该细胞由单核的细胞滋养层细胞(Cytotrophoblast, CTB)融合形成,由CTB融合形成STB的过程称为滋养层细胞的合体化,该过程主要受到PKA信号通路的调控。STB直接侵润在母血中,主要的功能是介导母胎间营养物质的交换。当滋养层细胞合体化异常时,会导致妊娠疾病的发生,如子痫前期(PE)和胎儿宫内生长受限(IUGR)。因此,揭示胎盘滋养层细胞分化的调控机制对于母胎健康尤为重要。目前,关于O-GlcNAc修饰对于滋养层细胞合体化的动态特征及调控的机制仍需探索。

在王雁玲研究员、王初教授及陈兴教授的指导下,中国科学院动物所的博士研究生刘娟和助理研究员邵璇博士,北京大学的秦为博士和张艳玲博士等通力合作,建立了首个人类胎盘滋养细胞O-GlcNAc修饰蛋白数据库,鉴定到数百个滋养细胞合体化过程中动态O-GlcNAc修饰蛋白。其中,PKA信号诱导的CSE蛋白O-GlcNAc修饰上调促进了滋养层细胞中H2S的产生,进而抑制了雄激素受体(AR)的二聚化,阻碍了睾酮诱导的滋养层细胞的合体化。

示意图显示CSE通过O-GlcNAc修饰协调PKA和AR信号,精细调控胎盘滋养层细胞的适度分化。

首先,研究人员在体外forskolin(FSK,PKA信号激活剂)诱导BeWo细胞(人滋养层细胞系)的合体化模型中,利用化学酶标记O-GlcNAc和还原二甲基化定量蛋白质组学技术,建立了首个人胎盘滋养层细胞O-GlcNAc修饰蛋白数据库,共鉴定到829个高置信度O-GlcNAc修饰蛋白,其中55.7%为已确定的O-GlcNAc修饰蛋白,而其余44.7%为新发现的O-GlcNAc修饰蛋白。鉴于CSE蛋白的O-GlcNAc修饰水平升高最为显著,引起了研究人员足够的关注。

在哺乳动物中,CSE蛋白的主要功能为催化H2S的产生。接下来,研究人员通过“Click Chemistry”及定量O-GlcNAc计量学方法证实PKA信号能够快速诱导CSE蛋白发生O-GlcNAc修饰,并稳定保持其高水平修饰至诱导后24小时。随后,质谱、点突变及IP实验证明CSE的主要O-GlcNAc修饰位点为Ser138,该位点的O-GlcNAc修饰可有效地增强CSE生成H2S的活性。体外合体化模型中的分析表明,CSE的O-GlcNAc修饰所增强生成的H2S能够通过对AR蛋白进行硫氢化修饰而阻碍AR的二聚化,进而使睾酮所促进的滋养层细胞合体化进程受阻。

子痫前期(Preeclampsia, PE)是妊娠20周后以新发高血压和蛋白尿为主要病症,伴随肝脏、肾脏以及神经等多系统损伤的妊娠并发症,是孕产妇和新生儿发病和死亡的主要原因,严重威胁围产期母儿健康。较为公认的是,胎盘发育和功能异常为PE的主要病理变化。研究人员在重度子痫前期患者胎盘中发现,CSE蛋白的O-GlcNAc修饰水平及H2S的产量显著高于正常对照胎盘,其滋养层细胞合体化水平则显著降低。提示PE胎盘中异常增高的CSE 蛋白O-GlcNAc修饰可能参与了滋养层细胞的分化障碍。

这项研究将定量化学与生物学手段有机结合,首次建立了人胎盘细胞O-GlcNAc修饰蛋白数据库,并证明CSE蛋白通过O-GlcNAc修饰协调PKA和AR信号,精细调控胎盘滋养层细胞的适度分化。该研究对理解胎盘发育的翻译后调控机制提供了重要基础,并有望为胎盘相关妊娠疾病的诊治策略提供新的靶点。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.01.024