进化所发育与再生生物学实验室聚焦于果蝇和斑马鱼的组织发育和成体器官再生过程中的信号转导机制，近年持续关注果蝇造血器官的发育过程（Lan et al. International Journal of Molecular Sciences 2020; Luo et al. Marine Life Science & Technology 2022）。近日，实验室在蛋白磷酸酶调控果蝇血细胞命运决定方向取得新进展，其研究成果“Protein phosphatase 2A regulates blood cell proliferation and differentiation in Drosophila larval lymph glands”在期刊FEBS Journal上在线发表。
血细胞由造血器官产生，造血过程中的任何异常都可能导致血液疾病的发生。蛋白磷酸酶2A（PP2A）失活是癌症中常见的事件，其活性与多种血液疾病相关，但其在造血发育过程中的调控机制并不明确。因此，该实验室以果蝇幼虫造血器官淋巴腺为材料，分别探究了蛋白磷酸酶PP2A和PPV在果蝇血细胞发育过程中的重要性，初步揭示了蛋白磷酸酶维持造血器官稳态的作用机制。
利用UAS-GAL4二元表达系统，特异性的在成熟血细胞中敲降PP2A结构亚基和催化亚基的表达，对幼虫淋巴腺荧光染色，观察到果蝇淋巴腺的组织肥大且结构紊乱，呈现出tumor-like的表型（图1）。
图1. PP2A缺失引起淋巴腺组织肥大。（A）对照组淋巴腺幼虫（B）PP2A缺失组果蝇幼虫（C）对照组淋巴腺（D,E）PP2A缺失组淋巴腺（F）淋巴腺大小统计图。
随后，采用Flip-out系统产生PP2A-loss-function clones, 并结合PH3抗体免疫荧光染色，发现PP2A不仅以细胞自主性的方式负调控自身细胞的增殖，而且通过非细胞自主性的方式负调控周围细胞的增殖（图2），控制血细胞发育过程中的正常数量，进而维持造血器官的稳态。
图2. PP2A缺失引起血细胞异常增殖。（A-A’’）对照组血细胞增殖情况，GFP指示成熟血细胞（B-C’’）PP2A缺失组血细胞增殖情况（D,D’）野生型clone里的细胞增殖（E-E’’）PP2A功能缺失clone里的细胞增殖，GFP指示PP2A缺失的细胞群。
之前的工作已经证明，Hh通路中的转录激活因子Smo是PP2A酶的底物之一。为了探究在造血器官中Smo与PP2A之间的作用关系，作者首先检测了对照组和PP2A缺失组淋巴腺中Smo的表达情况，发现在PP2A缺失组中Smo的表达量显著下降。因此作者在PP2A缺失的遗传背景下，引入外源的Smo进行挽救实验，发现可以很好的挽救PP2A缺失导致的淋巴腺组织肥大的表型（图3），这些结果提示PP2A通过正调控Smo的表达来控制血细胞的增殖，初步揭示PP2A在果蝇造血过程中新的调控机制。
图3. PP2A通过Smo调控果蝇造血器官稳态。（A-B’）对照组淋巴腺中Smo的表达情况（C-D’）PP2A缺失组中Smo的表达情况（E）对照组淋巴腺（F）PP2A功能缺失组淋巴腺（H）淋巴腺大小统计图。
空格众所周知，Smo可以在细胞膜上转导Hh信号。考虑到Smo是否通过Hh信号通路发挥作用，作者随后检测了Hh通路的关键转录因子Cubitus中断蛋白（Ci）的挽救作用。发现无论是引入外源的野生型Ci还是激活形式的Ci5M均无法完全挽救PP2A缺失而的表型，其挽救效果与Smo相比差距很大。这些结果表明，Smo在PP2A调控淋巴腺生长过程中的功能并不完全依赖于Ci。该项研究揭示了在PP2A调控果蝇造血器官的发育过程中，Smo展示出其Ci/hh-independent活性。同时，该项研究强调了果蝇淋巴腺作为研究白血病疾病模型的潜力，Smo与PP2A的偶联为理解PP2A在造血过程中的分子机制、改善相关血液疾病的治疗策略提供新的见解。
图4. PP2A-Smo轴对果蝇造血器官稳态的调控不完全依赖Ci。（A）PP2A缺失组中成熟血细胞的分布。GFP指示浆细胞，Peb指示晶细胞（B，C）外源野生型Ci和激活形式的Ci挽救组淋巴腺（D）淋巴腺中晶细胞统计图。(E) PP2A调控成熟血细胞发育模式图。
该研究由进化所博士研究生张芳、毕业博士罗网和毕业硕士刘素敏为并列一作共同完成，苏颖教授和赵龙教授指导并参与了全程研究。研究受到了中央高校基本科研业务费专项项目，以及国家自然科学基金委、崂山实验室等项目资助。
此外，实验室近期发表于《Journal of Molecular Cell Biology》的另一项研究成果同样揭示蛋白磷酸酶PpV在果蝇血细胞发育过程中发挥重要作用（Luo et al. 2024）。但其功能与蛋白磷酸酶PP2A不同，PpV主要在成熟血细胞晶细胞中表达，PpV缺失会导致晶细胞胀大破裂，PpV通过正调控Notch信号维持晶细胞的稳态。这些研究通过探索蛋白磷酸酶调控果蝇血细胞发育和稳态的作用机制，进一步了解蛋白磷酸酶通过调控信号转导从而影响相关血液疾病发生的分子机制，为相关疾病的临床研究提供理论基础。该研究共首作者为进化所毕业博士罗网和博士研究生张芳。
相关文章链接：
Fang Zhang#, Wang Luo#, Sumin Liu#, Long Zhao*, Ying Su*. (2024) Protein phosphatase 2A regulates blood cell proliferation and differentiation in Drosophila larval lymph glands. FEBS Journal. (http://doi.org/10.1111/febs.17247)
Wang Luo#, Fang Zhang#, Fangzhen Zhao, Yang Fang, Long Zhao*, Ying Su*. (2024) Dual role of PpV in Drosophila crystal cell proliferation and survival. Journal of Molecular Cell Biology. (https://doi.org/10.1093/jmcb/mjae028)
Wang Luo#, Sumin Liu#, Fang Zhang, Long Zhao*, Ying Su*. (2022) Metabolic strategy of macrophages under homeostasis or immune stress in Drosophila. Marine Life Science & Technology 4(3): 291-302. (https://doi.org/10.1007/s42995-022-00134-1)
Lan W, Liu S, Zhao L*, Su Y*. (2020) Regulation of Drosophila hematopoiesis in lymph gland: from a developmental signaling point of view. International Journal of Molecular Sciences 21: 5246. (https://doi.org/10.3390/ijms21155246)
