PNAS丨吴海涛/段小涛团队揭示O-GlcNAc糖基化修饰调控小脑发育和髓母细胞瘤发生新机制

小脑发育及其非运动认知功能是近年来国际上高度关注的前沿热点问题【1-3】。哺乳动物小脑颗粒细胞占大脑全部神经元数量的半数以上，是脑内最多的细胞亚群。小脑颗粒细胞发育遵循神经发生、增殖迁移、分化成熟和环路组装等基本过程，并受经典形态发生素分子Shh等信号精准时空调控。Shh信号过度激活可诱发形成小脑髓母细胞瘤。在小脑发育过程中，Shh如何实现胞内信号精准整合和转录调控的确切机制目前仍不明了。

O-GlcNAc糖基化修饰参与调控细胞代谢和基因转录等多种重要生物学过【4】。O-GlcNAc糖基转移酶（OGT）可利用葡萄糖通过己糖胺生物合成途径（HBP）生成的糖基供体UDP-GlcNAc，在特定底物蛋白丝/苏氨酸位点上催化形成O-GlcNAc修饰，进而影响底物蛋白的生物活性和功能。既往研究表明，O-GlcNAc糖基化修饰在突触形成、成体神经干细胞发生和命运决定、肿瘤发生等方面均发挥重要功能【4-7】。但其在小脑颗粒细胞发育和Shh信号激活中的确切功能与调控机制仍充满谜团。

军事医学研究院吴海涛实验室长期从事神经发育及相关脑疾病研究。前期在解析小脑和神经干细胞发育分子调控机制方面取得一些阶段性研究进展【8, 9】（详见2019年2月18日BioArt报道“PNAS丨一石二鸟，吴海涛组揭示小脑发育新型关键调控分子”；2021年9月1日BioArt报道“Cell Reports封面︱吴海涛实验室揭示神经干细胞衰老调控新机制”）。北京时间2022年8月16日，吴海涛实验室与段小涛博士合作在PNAS杂志上发表了题为 O-GlcNAcylation promotes cerebellum development and medulloblastoma oncogenesis via Shh signaling 的直接投稿（Direct submission）论文。该研究系统揭示了O-GlcNAc糖基化修饰调控小脑发育和髓母细胞瘤发生的新机制。

在这项最新工作中，研究人员发现O-GlcNAc糖基化修饰在小脑颗粒神经元生发中心—外颗粒细胞层中呈高丰度表达，在颗粒前体细胞（GNPs）中特异性剔除OGT可导致小脑形态发生缺陷，通过二代转录组测序结合Gli-lacZ报告小鼠、RNAscope、药理学干预和双荧光素酶报告系统等分析方法，证实Gli2可能是O-GlcNAc糖基化修饰调控小脑颗粒细胞发育的新型重要底物分子。

接着，通过质谱和一系列生化细胞实验，研究人员证实OGT可通过催化Gli2分子特定丝氨酸位点（小鼠Gli2 S355, 人源GLI2 S358）O-GlcNAc糖基化修饰，调控其转录活性并影响GNPs增殖和发育，表明Gli2蛋白糖基化修饰在不同物种间存在位点和功能保守性。

已有研究证实，Gli1/2乙酰化修饰在调控其转录活性中发挥关键作用。那么，Gli2蛋白糖基化修饰是否可通过影响其乙酰化修饰发挥作用呢？进一步，研究人员通过深入的生化筛选和功能验证，证实了OGT可通过抑制组蛋白乙酰转移酶p300同Gli2的结合，而非促进HDAC1/2对Gli2的去乙酰化修饰，实现对Gli2乙酰化修饰水平和转录活性的精准调控。

最后，通过利用制备的Gli2 S355位点特异性糖基化修饰抗体对临床髓母细胞瘤样品进行检测发现，Shh亚型髓母细胞瘤组织中GLI2蛋白O-GlcNAc糖基化修饰水平显著增加。在Shh亚型髓母细胞瘤小鼠模型（SmoM2 ^Atoh1）中特异性敲除OGT或药理学抑制其活性后，均可显著挽救小脑颗粒细胞恶性增生表型，大幅延长肿瘤小鼠生存周期。

综上，该研究揭示了在小脑发育过程中，细胞代谢途径、表观遗传调控和转录因子激活之间精细互作和调控新模式，证明了O-GlcNAc糖基化修饰在激活Shh信号中发挥重要调控功能，为临床Shh亚型髓母细胞瘤精准诊疗提供了新线索。值得一提的是，近期研究发现Shh信号在大脑皮层突触发育和脑缺血诱发谷氨酸毒性损伤中也扮演着重要角色【10, 11】，该研究还有望为深入揭示糖基化修饰参与突触形成及多种神经精神疾病发生的作用机制提供新思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2202821119

制版人：十一

参考文献

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