Nature Commun：鲍岚团队揭示α微管蛋白在神经发育中的作用机制
来源：小柯生命
2021年7月5日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）鲍岚研究组的最新研究进展“α-TubK40me3 is required for neuronal polarization and migration by promoting microtubule formation”。
该研究揭示了α微管蛋白上新发现的三甲基化修饰（α-TubK40me3）可以促进微管的形成，从而调节神经元极性的建立和迁移。
中科院分子细胞科学卓越创新中心鲍岚研究组的博士研究生谢玄和王少刚为本文共同第一作者，鲍岚研究员和冯文峰博士为共同通讯作者。
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在大脑皮层的发育过程中，新生的神经元需要迁移到达指定的位置形成神经环路。微管作为细胞内一种主要的细胞骨架成分，在神经元的形态建立和迁移过程中发挥着重要的功能。微管骨架的形成受多种微管蛋白翻译后修饰的调控。课题组前期的研究工作发现，α微管蛋白第40位赖氨酸上的乙酰化修饰（α-TubK40ac）在神经系统发育过程中发挥重要的作用，微管蛋白乙酰化的缺失会引起皮层神经元迁移的缺陷，并导致神经元出现过度生长和过度分支的表型（Li et al, J Neurosci, 2012; Wei et al, Cereb Cortex, 2017）。已有研究表明，在α微管蛋白乙酰化修饰的同一位点上还存在着由SETD2催化的三甲基化修饰，但关于α-TubK40me3对微管形成的调控机制及其在神经系统发育过程中所发挥的功能还知之甚少。
图一：α-TubK40me3在神经元和大脑皮层发育过程中的动态调控
本研究首先制备了特异性识别α-TubK40me3的抗体，利用该抗体检测到在发育过程中微管蛋白在胚胎期第14天和第16天的大脑皮层中处于高甲基化状态，并广泛分布在E14和E16大脑皮层的各个区域，既出现在神经元中，也出现在神经前体细胞中。在诱导人源胚胎干细胞系分化为成熟神经元的过程中，α-TubK40me3水平在神经前体细胞阶段便出现了明显的升高，提示其在神经元发育的早期发挥功能（图一）。
图二：SETD2在胚胎期大脑皮层中高表达并调控皮层神经元的迁移
进一步利用定量PCR和免疫荧光染色分析了微管蛋白甲基化酶SETD2在大脑皮层中的表达和定位。SETD2广泛分布在胚胎期大脑皮层的各个区域，在神经元和神经前体细胞中均有表达。除了在细胞核中大量分布，SETD2在细胞质中也存在，为其催化细胞质中的微管蛋白甲基化提供了前提条件。利用胚胎电转的方法，在大脑皮层发育过程中敲减SETD2的表达，会影响皮层神经元从多极向双极状态的转换，导致神经元的迁移出现缺陷（图二）。
图三：细胞质定位的SETD2截短体和模拟三甲基化形式的微管蛋白突变体可以恢复SETD2敲减导致的神经元极性转换和迁移的缺陷
由于SETD2还可以催化组蛋白的甲基化修饰，所以本研究采用细胞质定位的SETD2截短体进行挽救实验，尽可能减少对细胞核中组蛋白甲基化的影响。实验结果表明，细胞质定位的SETD2截短体和模拟三甲基化形式的微管蛋白突变体可以恢复由SETD2敲减导致的神经元极性转换和迁移的缺陷，表明α-TubK40me3在这些过程中发挥功能（图三）。
图四：α-TubK40me3促进微管的形成
进一步的机制探索表明，α-TubK40me3更倾向于分布在聚合状态的微管上，高α-TubK40me3状态的微管蛋白可以在体外聚合形成更多的微管。在敲除SETD2的细胞中，α-TubK40me3缺失导致细胞中处于聚合状态的微管数量明显减少。通过体外微管组装实验发现，α-TubK40me3可以显著促进微管蛋白的成核，从而促进微管的形成（图四）。
图五：α-TubK40me3通过促进神经元中微管的形成保障神经元极性的建立
在体外培养的神经元上，敲减SETD2会使神经元的极性建立出现缺陷，而这些表型可以被细胞质定位的SETD2截短体和模拟三甲基化形式的微管蛋白突变体挽救。α-TubK40me3主要分布在神经元中处于聚合状态的微管上，可以促进神经元中微管的形成。α-TubK40me3的缺失会引起神经元中正在生长的微管数量和微管总数的减少。通过微管稳定药物Taxol促进微管的成核，可以恢复由SETD2敲减所引起的神经元极性建立的缺陷，说明α-TubK40me3可以通过促进神经元中微管的形成保障神经元极性的建立（图五）。
图六：升高α-TubK40me3水平可以挽救微管蛋白乙酰化缺失引起的缺陷
进一步的研究表明，α-TubK40me3和发生在同一位点上的乙酰化修饰之间存在交叉调节作用。微管蛋白乙酰化的缺失会导致α-TubK40me3维持在较高水平，并代偿了乙酰化缺失导致的神经元极性转换和迁移的缺陷。反之，模拟乙酰化的微管蛋白突变体不能挽救SETD2敲减引起的神经元极性转换和迁移的缺陷（图六）。
图七：α-TubK40me3通过促进微管形成调控神经元的极化和迁移
本文的研究阐述了α-TubK40me3修饰在调节微管功能和神经系统发育过程中所发挥的作用及其机制。α-TubK40me3可以显著地促进微管的成核，α-TubK40me3的缺失会引起聚合微管的减少，发生在同一位点上的α微管蛋白甲基化和乙酰化存在交叉调节机制。同时，α-TubK40me3的缺失会引起神经元中微管数量的减少，使神经元不能正确建立极性，影响神经元由多极向双极状态的转换，进而影响神经元的迁移，从而调控大脑皮层的发育（图七）。
这项工作得到了中科院上海高等研究院张旭研究员和分子细胞科学卓越创新中心邹卫国研究员的大力支持。该工作得到了国家基金委、中科院先导项目以及上海市科委项目的资助。