王晓亮/谢子建等揭示钠钾-ATP酶信号传导功能在哺乳动物胚胎发育过程中的重要作用

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责编 | 酶美

哺乳动物胚胎发育是一个极为精细、复杂的过程，单细胞受精卵经过细胞分裂、分化、增值、凋亡等一系列步骤才最终发育成为复杂的哺乳动物个体。这一系列的生理学变化是通过很多分子信号通路的调控来完成的。钠钾-ATP酶（Na/K-ATPase）是一种存在于几乎每一个细胞上的重要蛋白，对于维持细胞膜的动作电位，细胞内外的离子浓度梯度，以及体液平衡有着不可或缺的重要作用。通过水解ATP获得能量，钠钾泵一次可以将3个钠离子逆浓度梯度排出细胞，同时将2个钾离子送进细胞。治疗心脏衰竭的经典药物地高辛便是通过特异性抑制钠钾泵进而提高心肌收缩力，从而为心衰患者争取更多的治疗时间。除了以上经典的离子泵功能，近30年来，谢子建教授及其团队发现钠钾-ATP酶还有具有独特的信号传导功能。通过偶联细胞膜上的微囊蛋白（caveolin-1）/络氨酸激酶（Src kinase）以及表皮生长因子受体（EGFR），钠钾-ATP酶可以将生物信号转化进入细胞从而调控细胞的增殖，分化，以及氧自由基产生等。然而， 这一新发现的信号传导功能对于哺乳动物生理的作用一直不明。这其中最重要的原因是很难将其离子泵功能和信号传导功能分开研究（因为离子泵功能是细胞存活所必须的）。另外，其具体的调控途径以及机制也尚待深入研究。

近日，美国马歇尔大学（Marshall University）王晓亮博士、谢子建教授在Science Advances 期刊上发表了题为 A caveolin-binding motif in Na/K-ATPase is required for stem cell differentiation and organogenesis in mammals and C. elegans 的研究论文。发现钠钾-ATP酶通过其上特有的微囊蛋白连接基团（caveolin-binding motif）控制细胞的分化进而调控哺乳动物，以及多细胞生物的胚胎发育。

为了能够研究钠钾-ATP酶的信号传导功能，最核心的问题是如何将其离子泵功能和信号传导功能分离开。换句话说，如果能通过突变创造一种变异的钠钾-ATP酶使其仍然保留离子泵功能（为了细胞存活）而丧失掉信号传导功能，科学家就可以此方法探究其生理作用。王晓亮博士/谢子建教授发现钠钾-ATP酶可以通过其上的一段氨基酸序列-微囊蛋白连接基团（Caveolin-binding motif）（CBM）与细胞膜上的微囊蛋白直接连接，这个基团对于钠钾-ATP酶的信号传导功能尤为重要。通过基因突变重组技术，研究人员使了这一序列中的两个苯丙氨酸突变成为丙氨酸，创造出了一个变异的钠/钾-ATP酶，命名为mCBM Na/K-ATPase。通过转染将这个突变的的钠/钾-ATP酶表达在活体细胞中，研究人员发现这一突变并不会影响其自身的离子泵功能，但却严重抑制了钠钾-ATP酶的信号传导功能。其不仅造成了微囊蛋白以及络氨酸激酶在细胞膜上的位移，还显著抑制了细胞的生长和增值。

需要指出的是，研究人员在与多种生物体内的钠钾-ATP酶序列比较后发现，微囊蛋白连接基团（CBM）是稍后于离子泵相关结构基团而进化出现在这个蛋白上的。仅包含有离子泵功能的钠钾-ATP酶最早出现在单细胞生物中，从最简单的多细胞生物开始，其体内所表达的钠钾-ATP酶便开始出现了微囊蛋白连接基团（CBM）的蛋白序列，而当生物进化出神经系统后，这一基团的氨基酸序列便高度一致的表达在每一种生物体内。这其中的一种解释是，当单细胞生物开始进化为多细胞生物时，钠钾-ATP酶进化出了微囊蛋白连接基团（CBM），而当生物开始出现神经系统后，这一基团被高度的固定下来从而对神经系统的发育起到关键作用。

为了研究其在哺乳动物体内的作用，研究人员通过基因重组技术创造了一种突变的小鼠，使其体内的所有钠钾-ATP酶都包含这个突变。突变造成了纯合子小鼠的胚胎发育异常，并使得纯合子胚胎的中枢神经系统的发育停滞。进一步研究发现这一突变使得多个控制中枢神经系统发育的基因表达异常，造成纯合子小鼠的神经管不能闭合，从而导致胚胎在中前期死亡。

根据以上的发现，研究人员试图进一步证实钠钾-ATP酶信号传导功能对其他生物发育的作用。他们利用CRISPER 技术创造了一种表达这一突变钠钾-ATP酶的秀丽隐杆线虫（C. elegans）。与小鼠的表型类似，这一突变也造成了线虫的发育停滞，更重要的是，当正常的钠钾-ATP酶被重新表达在变异的线虫体内时，其停滞的发育又可以完全恢复正常。

为了探索这一钠钾-ATP酶上的特殊基团对于人类胚胎发育的作用，研究人员利用CRISPER技术将人源诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell）中的钠钾-ATP酶做了相同的突变。结果显示多个与干细胞分化的相关基因表达显著下降，且使得其完全丧失了干细胞的功能和形态。为了深入探寻其作用机理，研究人员对突变的纯合子小鼠胚胎做了核糖核酸测序，结果显示Wnt 信号通路（Wnt signaling pathway）受到了显著影响。由于Wnt 信号通路在哺乳动物胚胎发育过程中起着非常重要的调控作用，进一步研究发现这个独特的钠钾-ATP酶基团可以通过调控Wnt 信号通路中重要的信号蛋白来控制Wnt 信号通路的激活和关闭。这一结果提供了一种关于钠钾-ATP酶信号传导功能如何调控哺乳动物胚胎发育的可能性，暨通过调控Wnt 信号通路来起作用。

该研究不仅开创性的在哺乳动物体内验证了钠钾-ATP酶的信号传导功能，还揭示了这一重要蛋白对于哺乳动物胚胎发育尤其是中枢神经系统发育的重要意义。