研究發現細胞發育訊息傳遞路徑之間的關鍵連結

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 16 日 11:30 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

科學家發現了接收細胞外訊號調控人類發育的新機制。這項研究證實了兩種蛋白質 SMAD2/3 ,參與細胞內許多在先前被認為各自獨立的胚胎發育成長相關訊息路徑。



來自威康信托基金會的桑格研究所(the Wellcome Sanger Institute)以及英國醫學研究理事會劍橋幹細胞研究所(Medical Research Council Cambridge Stem Cell Institute)的研究團隊,發現了人體內接收細胞外訊息並影響發育調控的新機制,SMAD2 SMAD3(SMAD2/3)兩種蛋白質連結了先前科學家認為各自獨立的幾個訊息傳遞路徑並進行調控。

SMAD2/3 除了能夠調控特定基因的表現與否,團隊還首次發現 SMAD2/3 可依據胚胎發育成長的階段需求,精準調控下游基因的表現時間點。這個新發現的訊號傳遞路徑對器官修復、免疫反應及癌症成長等需要快速反應的生理機制來說非常關鍵,研究成果能夠啟發日後這些機制的研究方法。

對正常運作的組織及細胞來說,細胞會根據細胞外生長因子(growth factors)的訊號,於正確時間點開啟或關閉某些基因,而在這些細胞訊息傳遞路徑中,SMAD2/3 蛋白質就扮演重要角色。SMAD2/3 在細胞內活化之後,能調控一系列從胚胎發育、生長乃至免疫反應以及癌細胞生長機制所需的基因開啟與否。

不同細胞中,SMAD2/3 也有不同功能,可能在某些型態的細胞控制生長,但在其他種細胞負責反應環境壓力。雖然已知道 SMAD2/3 能和稱為轉錄因子(transcription factors)的特定 DNA 結合蛋白交互作用,但到目前為止,SMAD2/3 如何能參與這麼多種不同的功能,仍是我們不了解的領域。

研究團隊對發育中的人類多功能幹細胞(pluripotent stem cells)進行研究,這種幹細胞透過分化變成不同類型的組織細胞,構成人體內各種器官。研究團隊分析多功能幹細胞內 SMAD2/3 與其他蛋白質的交互作用,發現 SMAD2/3 的確會與一些轉錄因子結合,但也會與細胞中參與整個分子機制的蛋白質作用,協調細胞訊息傳遞。

在這些分子機制中,也包含了一種最近發現的稱為 RNA 修飾(RNA editing)機制。當細胞需要產生特定蛋白質時,首先需要將對應的 DNA 轉錄為 mRNA,之後再由 mRNA 轉譯出該蛋白質。

RNA 修飾機制能在 RNA 產生之後進行修飾,藉此改變 RNA 的穩定性並調控 RNA 產生蛋白質的時間長度。相較於在轉錄過程中透過抑制或活化來調控基因表現的方式,RNA 修飾能更有效率的達到基因開啟或關閉效果。

在這項研究中,研究團隊首次發現 SMAD2/3 能活化參與 RNA 修飾的蛋白質活性,讓特定 RNA 分子變得更不穩定而更易被降解。SMAD2/3 連結了細胞信息傳遞與 RNA 修飾,讓細胞快速開啟或關閉那些參與發育過程的重要基因。

研究第一作者、劍橋幹細胞研究所前博士生 Alessandro Bertero 表示,這是科學家首次了解 SMAD2/3 能影響這麼多種不同機制,參與這些意料之外的不同細胞信息傳遞路徑調控,就像瑞士刀一樣同時具多項功能,將細胞內幾個關鍵細胞訊息傳遞連結在一起。

由於 SMAD2/3 蛋白質會受生長因子調控,因此這些研究結果也可以進一步詮釋細胞生理功能可受細胞外訊息的調控。這份論文發表在《Nature》期刊。

研究主要作者、劍橋幹細胞研究所 Ludovic Vallier 博士表示,他們研究發現細胞機制透過 SMAD2/3 的調控可讓細胞快速改變狀態,對日後包含癌症在內的疾病研究來說有很大的幫助,因為過去研究時,各類型細胞機制常分開來討論而非相互連結。除此之外,這些發現也將開啟未來對 mRNA 剪接(mRNA processing)、DNA 修復及轉錄調控等研究的全新視野。

(首圖來源:pixabay