一种特定于灵长类的内源性逆转录病毒包膜蛋白结合SFRP2可调节人类心肌细胞发育

2024-11-12 Tue
一种灵长类特异性内源性逆转录病毒包膜蛋白通过抑制SFRP2调控人类心肌细胞发育研究背景与意义内源性逆转录病毒（Endogenous Retroviruses, ERVs）是远古时期病毒感染宿主基因组并整合入生殖细胞系后，随着进化过程被遗传至现代人类基因组中的遗留序列。这些ERVs占人类基因组的5%-8%，虽然大部分ERV基因因突变失去编码完整蛋白的能力，但仍有一些非编码ERV在早期胚胎发育中发挥调控作用。此外，ERV还可作为增强子或启动子调控附近基因的表达，参与生物体的多种生理功能。研究表明，ERV的衍生蛋白在早期胚外胚胎发育中具有重要作用，但ERV是否也参与体细胞发育尚不清楚。本研究探讨了灵长类特异性ERVH48-1（Suppressyn）的体细胞发育功能，研究其在早期胚胎发育中对中胚层和心肌细胞分化的调控机制，为理解ERV在人体发育中的作用提供了新的视角。
研究来源本研究由来自广州医科大学、香港科学院、澳门大学等多家机构的研究团队共同完成。文章于2024年9月5日发表在《Cell Stem Cell》期刊上，第一作者为Ran Zhang等人，通讯作者包括Xiaofei Zhang、Dajiang Qin等人。
研究流程实验设计与流程概述本研究以人类多能干细胞（hPSCs）为模型，通过敲除ERVH48-1基因探讨其在胚胎发育中的作用。研究流程包括以下步骤：
ERVH48-1在胚胎不同发育阶段的表达：利用单细胞RNA测序和免疫荧光技术，研究团队发现ERVH48-1在胚胎中胚层和内胚层的发育过程中有较高表达，尤其是在心肌细胞分化的早期阶段。
敲除ERVH48-1的影响：通过CRISPR-Cas9技术敲除ERVH48-1，发现敲除该基因会导致hPSCs在中胚层和心肌细胞分化中受到抑制，细胞命运偏向于外胚层样细胞。
ERVH48-1的信号肽功能研究：通过构建ERVH48-1的信号肽缺失突变体，研究团队发现ERVH48-1的N端信号肽在其定位于细胞膜以及发挥功能上至关重要。
ERVH48-1与SFRP2的相互作用：ERVH48-1通过与SFRP2（分泌型卷曲相关蛋白2）结合，促进其多聚泛素化并加速降解，从而阻断SFRP2对Wnt/β-catenin信号通路的抑制，进而调控心肌细胞的分化。
信号肽替代实验：为了进一步验证SFRP2的作用，研究团队构建了带有ERVH48-1信号肽的SFRP2嵌合体，并发现该嵌合体能够在ERVH48-1敲除细胞中恢复Wnt/β-catenin信号和心肌细胞的分化。
数据分析与方法研究过程中使用了大量的数据分析方法，包括单细胞RNA测序、荧光活化细胞分选（FACS）、免疫荧光、共免疫沉淀（Co-IP）、以及蛋白质组学分析等。这些数据支持了ERVH48-1通过调控SFRP2降解从而调节Wnt信号通路的作用。对于数据的统计分析，研究团队使用了单向方差分析（ANOVA）和Sidak校正，以确保结果的显著性。
研究结果ERVH48-1对心肌细胞命运的影响：敲除ERVH48-1会显著抑制hPSCs向心肌细胞的分化，而在野生型细胞中观察到正常的心肌细胞发育过程。免疫荧光和基因表达分析显示敲除ERVH48-1会导致心肌特异性标记基因（如TNNT2）的表达下降，心肌细胞的跳动也受到抑制。
ERVH48-1通过SFRP2调控Wnt信号：ERVH48-1通过结合SFRP2并促进其降解，减少SFRP2的分泌，从而解除其对Wnt/β-catenin信号的抑制。实验结果表明，ERVH48-1缺失导致细胞内β-catenin水平降低，最终影响心肌细胞的分化。
信号肽的作用：ERVH48-1的信号肽对于其定位于膜结构并发挥功能至关重要。删除ERVH48-1的信号肽会导致其失去对SFRP2的降解作用，从而无法有效激活Wnt信号通路，导致心肌细胞分化受阻。
嵌合体实验的成功：将ERVH48-1的信号肽与SFRP2融合生成的嵌合体能够部分恢复ERVH48-1敲除细胞的心肌分化功能，进一步证明了ERVH48-1的功能是通过调控SFRP2实现的。
研究结论与意义本研究揭示了ERVH48-1在灵长类特有的胚胎体细胞发育中的重要作用，尤其是在中胚层和心肌细胞分化过程中的关键调控作用。ERVH48-1通过抑制SFRP2的活性，激活Wnt/β-catenin信号通路，从而促进hPSCs向心肌细胞的分化。该研究不仅揭示了ERV在体细胞发育中的潜在作用，同时也拓展了我们对ERV功能多样性的理解。
研究亮点体细胞发育中的ERV功能：以往研究主要集中在ERV对胚外发育和免疫系统的影响，而本研究首次揭示了ERVH48-1在体细胞发育中的关键调控作用。
ERVH48-1与SFRP2的相互作用：研究发现ERVH48-1通过调控SFRP2的降解，进而影响Wnt信号通路，为理解ERV如何通过蛋白质互作调控细胞命运提供了新思路。
潜在的应用前景：ERVH48-1对心肌细胞分化的调控作用为未来的再生医学提供了潜在的靶点，有望在心脏疾病的干细胞疗法中发挥作用。
总结本研究不仅揭示了ERVH48-1在心肌细胞发育中的新功能，还强调了ERV在体细胞发育中的潜在作用。ERVH48-1通过调控SFRP2的降解，激活Wnt/β-catenin信号通路，从而调节心肌细胞的分化过程。这项发现为未来ERV在发育生物学、基因组学及再生医学中的应用提供了新的思路。