Nat Commun丨天津医科大学颜华/王晓虹团队揭示O-GlcNAc糖基化作用于Hippo信号通路促进糖尿病视网膜血管病变

学术   2024-11-07 00:02   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文︱雷  艺

责编︱王思珍


糖尿病视网膜病变diabetic retinopathyDR是糖尿病患者最常见的微血管并发症,是20-74岁成年人视力下降和可预防性失明的主要原因[1]。在DR的过程中,其基本病理改变是视网膜的-视网膜屏障blood-retinal barrierBRB的破坏和视网膜新生血管形成。目前,DR的药物治疗主要是通过玻璃体腔注射靶向血管内皮生长因子vascular endothelial growth factor, VEGF的药物等,可减缓糖尿病视网膜病变的进展。然而,靶向VEGF的药物治疗也仍有诸多不足,比如疗效有限且个体差异较大,长期使用抗VEGF治疗可能产生一定的神经元副作用,并且可能导致视网膜色素上皮-脉络膜复合体变性等[2]因此,深入了解糖尿病血管病变的发病机制,寻找新的治疗靶点,并针对新靶点研发出安全有效的治疗方案,成为人们十分关注的问题。


蛋白质的翻译后修饰Posttranslational modificationPTMs是调节蛋白质功能和增加蛋白质组复杂性的重要机制 O糖基化O-GlcNAcylation是一种广泛存在的翻译后修饰,它是在蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上添加单个O-linked β-D-N-acetylglucosamineO-GlcNAc基团。葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和核苷酸代谢中的营养物质流入己糖胺生物合成途径Hexosamine bio synthetic pathwayHBP,生成O糖基化的供体分子UDP-GlcNAc,再通过O糖基化转移酶O-GlcNAc transferaseOGT 将供体分子UDP-GlcNAc添加到蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上,四大代谢的参与使O糖基化具有营养敏感性。细胞内的葡萄糖量直接影响UDP-GlcNAc的供应,从而调控O-GlcNAc的水平。O糖基化信号作为营养传感器,控制许多生物学过程,如基因转录、翻译、蛋白质稳定性和折叠,以及细胞信号转导等。O-GlcNAc稳态失调与多种慢性疾病相关,如心血管疾病、阿尔茨海默病和癌症[3]在糖尿病视网膜病变中,O-GlcNAc信号在内皮细胞中的作用尚不明确。


近年来,Hippo信号通路作为调控器官大小和组织生长的关键通路,受到越来越多的关注[4]。其主要效应器YAP1和同源蛋白TAZ的活性由上游Hippo通路的激酶调控。在胚胎和出生后,YAP/TAZ在血管系统发育中具有不可缺少的作用,内皮特异性YAP/TAZ敲除会导致严重血管缺陷[5]。内皮细胞中的YAP/TAZ在血管发育时活跃,而成年后处于静息状态。而在肿瘤等病理状态下,内皮细胞的YAP/TAZ会再次激活,促进血管增生。在肿瘤微环境中,VEGF、炎症因子与外基质应力信号通过STAT3RhoA信号通路调控YAP/TAZ激活,抑制YAP/TAZ则能有效阻断肿瘤血管新生和进展[6]在糖尿病视网膜病变中,内皮细胞中YAP/TAZ的作用,及其激活机制在DR中尚不明确。

20241029日,天津医科大学颜华教授、王晓虹教授团队在Nature Communications杂志上在线发表了题为"Protein O-GlcNAcylation coupled to Hippo signaling drives vascular dysfunction in diabetic retinopathy"的研究。该研究利用增生型糖尿病视网膜病变(PDR)患者的组织样本以及两种糖尿病视网膜病变动物模型STZOIR小鼠模型,结合免疫荧光染色、转录组测序和蛋白质质谱等技术发现PDR患者及DR小鼠模型的视网膜O-GlcNAcylation水平升高,并揭示了O-GlcNAcylation-Hippo轴在DR发病机制中的关键作用,为糖尿病视网膜病变的治疗提供了新的靶点,也为理解糖尿病相关的血管并发症提供了重要的理论基础。(拓展阅读:王晓虹课题组最新研究进展,详见姊妹号“岚翰模式科学”报道(点击阅读):Circ Res|天津医科大学王晓虹/北京大学周菁团队揭示血流剪切力通过调控Kindlin-2-液相分离影响血管稳定性Sci Transl Med|天津医科大学颜华/王晓虹/施福东/刘强合作揭示NK细胞与中性粒细胞协同作用抑制年龄相关性黄斑变性


研究者利用增生型糖尿病视网膜病变(PDR)患者的组织样本以及两种糖尿病视网膜病变动物模型STZOIR小鼠模型,结合免疫荧光染色、转录组测序和蛋白质质谱等技术发现PDR患者的玻璃体液中UDP-GlcNAc水平显著高于非糖尿病患者。在DR动物模型中,与对照组小鼠相比视网膜O-GlcNAcylation修饰蛋白的水平显著升高,尤其是视网膜血管中O-GlcNAcylation信号增强。促进内皮细胞O-GlcNAcylation修饰蛋白的水平,可使内皮细胞激活,使其增殖增加,出芽增强,内皮屏障破坏。的研究还探索了内皮特异性敲除OGT小鼠在发育阶段及糖尿病模型中的变化。结果发现,OGT敲除小鼠的视网膜血管新生受到抑制,且在DR模型中,其视网膜血管通透性显著下降,血管异常得到改善。这些结果表明O-GlcNAcylation在调节视网膜血管生成方面至关重要,其对糖尿病视网膜病变的影响也十分显著。

 
1PDR患者玻璃体液及DR小鼠视网膜内皮O-GlcNAcylation增加,提高O-GlcNAcylation血管内皮激活


机制方面,研究者发现内皮细胞中O-GlcNAcylation通过调控YAP/TAZ信号通路影响血管功能。在DR模型中YAP/TAZO-GlcNAcylation修饰显著增加,且YAP-T383位点是YAP主要的O-GlcNAcylation修饰位点。研究还证明了O-GlcNAcylationYAP磷酸化及其功能的调控效应,即YAP-T383位点的O-GlcNAcylation会影响YAP-S397的磷酸化,并且YAPO-GlcNAcylation缺陷突变体更容易被泛素化,从而影响YAP的稳定性和细胞核转运。内皮特异性敲除YAP/TAZ或使用其抑制剂可降低DR视网膜血管内皮细胞增殖与新生血管形成,减少视网膜出血和渗漏。通过构建YAP-T383A突变体,发现该突变抑制DR的病理性血管新生。揭示了O-GlcNAcylation在调节YAP活性及其在视网膜内皮细胞生物学功能中的重要性,并证实了YAP/TAZ在血管功能异常和DR发展中的重要角色。

 
2:内皮细胞特异性敲除YAP/TAZ抑制DR中的周细胞丢失和新生血管生成
 
3:本研究总体示意图:DR中视网膜血管内皮细胞中O糖基化水平升高,作用于YAP/TAZT383位点,从而增加YAP/TAZ蛋白稳定性,促进病理性血管新生。


文章结论与讨论,启发与展望

综上所述,这项研究揭示了O-GlcNAcylation-Hippo信号轴在糖尿病视网膜病变中的重要性,为DR新疗法的开发提供了理论基础,同时探索了YAP/TAZ在血管功能调节和糖尿病重要的并发症DR中的关键作用。该研究的局限性在于YAP/TAZ在视网膜血管中的O-GlcNAc修饰仅在小鼠模型中进行了分析。需要进一步研究以在患者来源的样本中进行检测。


原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-53601-x


天津医科大学基础医学院药理系王晓虹教授和天津医科大学总医院眼科颜华教授为本文的通讯作者,天津医科大学总医院眼科博士研究生雷艺(现为天津医科大学博士后)、研究生刘锖蕓为本文的共同第一作者。本研究依托天津市眼外伤研究与转化重点实验室、教育部眼部疾病研究国际合作联合实验室、天津市眼健康与眼疾病研究所,并受到了国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。



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参考文献
1. Antonetti DA, Klein R and Gardner TW. Diabetic retinopathy. The New England journal of medicine. 2012;366:1227-39.

2. Dong X, Lei Y, Yu Z, Wang T, Liu Y, Han G, Zhang X, Li Y, Song Y, Xu H, Du M, Yin H, Wang X and Yan H. Exosome-mediated delivery of an anti-angiogenic peptide inhibits pathological retinal angiogenesis. Theranostics. 2021;11:5107-5126.

3. Yang X and Qian K. Protein O-GlcNAcylation: emerging mechanisms and functions. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18:452-465.

4. Yu FX, Zhao B and Guan KL. Hippo Pathway in Organ Size Control, Tissue Homeostasis, and Cancer. Cell. 2015;163:811-28.

5. Wang X, Freire Valls A, Schermann G, Shen Y, Moya IM, Castro L, Urban S, Solecki GM, Winkler F, Riedemann L, Jain RK, Mazzone M, Schmidt T, Fischer T, Halder G and Ruiz de Almodovar C. YAP/TAZ Orchestrate VEGF Signaling during Developmental Angiogenesis. Dev Cell. 2017;42:462-478 e7.

6. Shen Y, Wang X, Liu Y, Singhal M, Gürkaşlar C, Valls AF, Lei Y, Hu W, Schermann G, Adler H, Yu FX, Fischer T, Zhu Y, Augustin HG, Schmidt T and de Almodóvar CR. STAT3-YAP/TAZ signaling in endothelial cells promotes tumor angiogenesis. Sci Signal. 2021;14:eabj8393.
编辑︱王思珍
本文完



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