撰文 | 阿童木
责编 | 兮
形态发生（Morphogenesis）是指生物体在遗传信息和环境因素的影响下，通过细胞分化、组织与器官发生、发育等过程而逐渐成形（shaping）的过程。形态发生素（morphogen）作为介导机体形态发生的蛋白质，通过在组织中扩散并形成连续的浓度梯度，参与了机体组织修复和发育中的细胞命运决定，研究较多的形态发生素包括BMP、Catenin、Dpp、FGF、SHH、TGF-β 和Wnt等【1】。
Wnt信号通路是一种进化上高度保守的信号通路，在生物体的生长发育和代谢调节中发挥了关键作用【2】。Wnt信号传导需要位于胞外的Wnt 蛋白通过扩散与细胞膜上的受体结合，继而激活下游的胞内信号转导及核内转录调控。Wnt在发育中具有形态发生素功能，而糖基化修饰和棕榈酰化修饰导致Wnt 蛋白具有高度不溶性，近年来研究推测脂蛋白颗粒、外泌体或特定的分子伴侣可能在其中发挥了重要作用，以协助克服Wnt信号传递过程中的溶解度和扩散性问题【5, 6, 7】。尽管如此，疏水性脂蛋白Wnt是如何在胞外水溶性空间中扩散到较远的作用部位的，目前仍未完全清楚【3, 4】。
近日，英国弗朗西斯·克里克研究所Jean-Paul Vincent教授与牛津大学E. Yvonne Jones教授团队合作在Nature杂志发表了题为Glypicans shield the Wnt lipid moiety to enable signalling at a distance的研究文章，发现磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dlp的蛋白核心能通过构象变化形成疏水空间，进而结合并遮蔽Wnt蛋白的脂质部分，提高了Wnt的水溶性并促进了Wnt信号的传递。
Wnt与果蝇的无翅基因Wingless（wg）同源，果蝇翅成虫盘中的Wg信号易被检测且扩散范围较远，能够实现Wg对远距离靶基因的调节，因此果蝇翅成虫盘是研究Wnt信号扩散与远距离调节机制的良好模型。之前观点认为脂蛋白微粒或外泌体能够在胞外转运Wnt蛋白，作者利用基于形态捕捉技术（morphotrap，捕捉并困住形态发生素并抑制其功能）的捕捉分析手段及遗传学检测证明胞外Wg的转运并不依赖于外泌体、脂蛋白或微胶粒。另一种假说认为载脂蛋白Swim能够溶解并介导Wg的胞外转运【7】，作者发现Swim的敲除并不会显著影响果蝇翅成虫盘中胞外Wg蛋白的分布，因此Swim在Wg的胞外转运中并不是必需的。除了目前因技术限制无法验证胞体素（cytonemes）在Wg转运中的功能外，作者证明之前推测的协助胞外Wg转运的外泌体和脂蛋白模型均不成立。
图1 胞外Wg蛋白的扩散依赖于磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dlp
之前已有研究发现磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dally和Dlp能够调节Wg在细胞外的分布，且最新研究发现果蝇卵巢中的Dlp能够起到抑制Hh和Wnt信号的作用（详见BioArt报道：Sci Adv | 解亭团队揭示磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dlp介导的Hh/Wnt信号相互依存调控干细胞分化的机制）。通过克隆分析，作者发现Dally和Dlp的缺失会导致细胞表面Wg表达显著降低，且Dlp缺失所导致的Wg下调表型更加明显（图1）。Dlp可以通过两种方式与Wg的结合，一是通过Dlp的硫酸肝素链，二是通过Dlp的蛋白核心【8】。通过检测Dlp与Wg的结合，作者发现Dlp能够结合棕榈酰化的Wg，但突变导致的非棕榈酰化Wg(S239A) 不能与Dlp结合。进一步研究发现，Dlp蛋白核心介导了Dlp与棕榈酰化蛋白的结合，而Dally的蛋白核心无法与棕榈酰化蛋白结合。因此，磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dlp，而不是Dally，具有与棕榈酰化的Wg结合的能力。人类具有6个磷脂酰肌醇蛋白聚糖，作者发现其中的GPC4和GPC6能够与Wg蛋白结合。此外，GPC4和GPC6与Dlp类似，同样具有双相活性（biphasic activity），既能够抑制高表达目的基因的表达水平，又能促进低表达目的基因的扩散范围。因此，人类Dlp家族的磷脂酰肌醇蛋白聚糖可以与Wnt蛋白的棕榈酰化部分结合，调节了Wnt蛋白的胞外行为。
图2 Dlp与Wnt蛋白的结合机制 （PMS：棕榈酰化的丝氨酸）
溶解性对Wnt信号的扩散和传递至关重要，Dlp在与Wnt蛋白的棕榈酰化部分结合后，能通过增加Wnt蛋白的溶解性，促进Wnt信号的扩散。那么，Dlp是如何与Wnt的棕榈酰化部分结合的呢？通过比较Dlp蛋白核心与Wnt受体Frizzled结构上的差异，作者发现Dlp的N末端区域与Frizzled家族的胞外半胱氨酸富集结构域（CRD，cysteine-rich domain）有一定的相似性。Frizzled的CRD结构域能通过形成 “槽形结构”（groove-like structure）结合并包裹Wnt的棕榈酰化位点，而Dlp 和GPC1同样含有一个较浅的槽形结构，并额外含有一个横向位于沟槽入口的α-螺旋，从而阻碍了脂质插入（图2a）。通过解析Dlp蛋白核心与棕榈酰化WNT7A结合后的复合体结构，作者发现Dlp和Wnt之间主要通过疏水作用发生互作，Dlp与Wnt棕榈酰化部分的结合导致复合体构象发生变化（图2b）。因此，复合体的晶体结构解析数据同样证明了Dlp-Wnt的相互作用需要脂质部分（lipid moiety）的参与（图2c）。位点突变分析表明，Dlp和Dally与Wnt结合能力不同是由一系列结构差异共同导致的，如槽形结构入口和腔内残基的性质差异，以及α-螺旋-9和α-螺旋-10相对于α-螺旋-1发生移位的结构特征不同等。
综上所述，本研究通过遗传学分析并结合蛋白结构解析，证明磷脂酰肌醇蛋白聚糖Dlp的蛋白核心能通过构象变化形成槽形结构，进而结合并遮蔽Wnt蛋白的棕榈酰化部分，提高Wnt蛋白的水溶性，使胞外的Wnt能够扩散并与受体结合，实现Wnt信号通路的高效传递。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2498-z
参考文献
1. Gurdon J B, Bourillot P Y. Morphogen gradient interpretation.Nature, 2001, 413(6858): 797-803.
2. Komiya Y, Habas R. Wnt signal transduction pathways.Organogenesis, 2008, 4(2): 68-75.
3. Willert K, Brown J D, Danenberg E, et al. Wnt proteins are lipid-modified and can act as stem cell growth factors.Nature, 2003, 423(6938): 448-452.
4. Takada R, Satomi Y, Kurata T, et al. Monounsaturated fatty acid modification of Wnt protein: its role in Wnt secretion.Developmental cell, 2006, 11(6): 791-801.
5. Panáková D, Sprong H, Marois E, et al. Lipoprotein particles are required for Hedgehog and Wingless signalling.Nature, 2005, 435(7038): 58-65.
6. Gross J C, Chaudhary V, Bartscherer K, et al. Active Wnt proteins are secreted on exosomes.Nature cell biology, 2012, 14(10): 1036-1045.
7. Mulligan K A, Fuerer C, Ching W, et al. Secreted Wingless-interacting molecule (Swim) promotes long-range signaling by maintaining Wingless solubility.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(2): 370-377.
8. Yan D, Wu Y, Feng Y, et al. The core protein of glypican Dally-like determines its biphasic activity in wingless morphogen signaling.Developmental cell, 2009, 17(4): 470-481.
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