近日，基础医学院郭峥教授团队在发育生物学知名期刊《Development》上发表了题为“Kuzbanian expression levels dictate Notch signaling outcomes via interplay between cis- and trans-Delta”的研究论文。华中科技大学基础医学院医学遗传学系博士生施奋瑜为第一作者，郭峥教授为通讯作者。

Notch信号通路介导相邻细胞间通讯，对细胞命运决定和组织稳态起到了至关重要的作用。现有的模型认为当反式配体（trans-ligand）结合Notch后，在机械力的作用下配体打开Notch受体原本闭合的NRR结构域，暴露出S2切割位点，发生金属蛋白酶Kuzbanian（Kuz）/ADAM10依赖的S2剪切切割，继而发生S3剪切，完成Notch受体的激活。目前普遍认为Kuz是组成性表达，并不参与Notch的激活水平和激活位置/空间的调控。

郭峥教授团队发现，在果蝇中肠中部的铜细胞区（CCR），干细胞和其子代细胞（esg+ 细胞）中Notch信号的激活水平显著低于中肠前段（anterior midgut， AM）和中肠后段（posterior midgut，PM）。他们在排除了配体缺乏、受体不足等原因后，通过在esg+ 细胞中表达一系列处于不同激活阶段Notch受体的变体，发现依赖S2剪切的Notch受体在CCR中无法被激活。这提示CCR中Notch的S2剪切受到了限制，导致激活受阻。

图1：Kuz-HA表达在AM与PM的esg⁺ 细胞膜，而难以在CCR区检测到表达。

鉴于Notch的S2剪切由Kuz执行，研究人员通过CRISPR-Cas9技术构建内源性敲入的Kuz-HA标签后发现，Kuz-HA仅表达在AM与PM的esg+ 细胞的细胞膜，而在CCR难以检测到Kuz-HA的表达（图1）。这种表达差异直接导致了CCR区S2剪切受限和Notch信号激活减弱。功能实验证实，在CCR区esg+ 细胞中提高Kuz表达，足以恢复Notch信号激活。令人惊讶的是：在CCR 中仅提高Kuz的表达水平，就足以在不依赖任何配体的情况下激活CCR中肠道干细胞（GSSC）的Notch信号。这说明Notch的激活可以不依赖配体，仅需Kuz的功能即可实现。

进一步的研究表明，与CCR不同，在AM与PM的esg+ 细胞中提高Kuz的表达无法激活肠道干细胞（ISC）中的Notch信号。经过团队的长期研究，发现其原因在于ISC表达的Notch顺式配体Delta（cis-Dl）抑制了Kuz对Notch的剪切。由于GSSC中几乎不表达cis-Dl，因此，CCR中仅有Kuz的表达即可激活Notch。相应的，当在AM与PM的ISC中敲降cis-Dl, 并过表达Kuz时，可以造成全部 ISC中的 Notch激活。不仅如此，由于生理条件下部分ISC就有较高水平的Kuz表达（图1），因此在ISC中仅敲降cis-Dl，也足以在Kuz表达较高的ISC中引起Notch激活（图2，在Kuz表达低的肠道区域中表现的是Notch突变的表型）。综上所述，这些研究结果表明Kuz不依赖配体的对Notch的激活，在ISC中被cis-Dl所抑制。

图2：在esg⁺ 细胞中敲低Dl可诱导非配体依赖的Notch激活

更加有趣的是，研究人员发现cis-Dl对Kuz剪切的抑制不是绝对的。当Kuz水平足够高时，来自相邻细胞的trans-Dl配体能够“克服”cis-Dl对Kuz剪切的抑制，成功激活Notch。这意味着Kuz的表达水平决定了顺式抑制与反式激活之间竞争的胜负。

那么Kuz的表达水平是如何调控的呢？经过细致的研究，研究团队发现Kuz的转录受到了BMP信号通路的抑制，从而导致在BMP信号通路激活的CCR区域Kuz的表达显著降低。另一方面，与肠道生理损伤相关的EGFR信号通路促进了Kuz的转录，从而造成了在组织损伤修复区域中Kuz的高表达。这些结果揭示了Kuz作为关键节点，协调调控细胞增殖的BMP/EGFR信号通路与调控分化的Notch信号通路间的互作，从而将组织损伤修复时的增殖和分化有机的结合在一起。

图3：Kuz的表达水平决定Notch信号的激活（模式图）

研究团队最后在果蝇的翅成虫盘再次验证了高表达Kuz对Notch非配体依赖的激活，证明了该项研究结论并非只限于果蝇中肠系统。综合上述实验结果，研究团队对Notch信号通路的激活机制产生了全新的理解（图3）: Notch激活并非一定需要配体的参与。在没有配体时，Notch可以偶然发生构象的改变，由关闭状态（closed）变为开放状态（open），被Kuz捕捉剪切，完成Notch的激活。配体的作用体现在：cis-Dl抑制open, trans-Dl促进open，两者竞争的胜负被Kuz的表达水平所影响。而Kuz的表达水平，又受到了BMP和EGFR信号通路的转录调节，从而参与到了Notch激活调控中。上述模型被郭峥研究团队制作为视频动画，链接为：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.26013628

原文链接：
https://doi.org/10.1242/dev.204789