近日，中國科學院院士、武漢大學生命科學學院教授宋保亮，武漢大學生命科學學院副教授趙曉璐和華東師範大學化學與分子工程學院教授仇文衛課題組合作在Cell Research（《細胞研究》）發表論文，闡明了SMO蛋白的膽固醇修飾是一個由鈣離子加速的自發反應，揭示了鈣離子在Hedgehog信號轉導途徑中的重要作用，並證明膽固醇修飾對於SMO功能發揮至關重要。
論文題為“Cholesterylation of Smoothened is a calcium-accelerated autoreaction involving an intramolecular ester intermediate”（《鈣離子促進Smoothened蛋白通過分子內轉酯反應形成膽固醇共價修飾》），武漢大學高等研究院的胡傲博士和華東師範大學化學與分子工程學院博士研究生張竟贊為論文共同第一作者。宋保亮、趙曉璐和仇文衛為通訊作者。
Hedgehog（Hh）訊號通路是一種從果蠅到哺乳動物高度保守的訊號通路。Hh通路的信號轉導主要由三個蛋白完成——分泌蛋白Hh、Hh受體Patched1（PTCH1）以及G蛋白偶聯受體Smoothened（SMO）。Hh訊號通路在胚胎發育和成體器官穩態維持過程中起重要作用，而异常啟動的Hh訊號通路會引起多種腫瘤。當細胞外Hh濃度升高時，Hh結合PTCH1，解除PTCH1對於SMO的抑制作用，使得定位於細胞內囊泡的SMO轉移到初級纖毛，SMO進一步將胞外信號轉導至細胞內啟動GLI等轉錄因數。
2017年宋保亮與仇文衛合作首次報導了SMO蛋白被膽固醇共價修飾。人SMO蛋白通過其胞外cysteine-richdomain（CRD）中第95比特天冬氨酸側鏈羧基與膽固醇3β羥基形成酯鍵，但SMO蛋白膽固醇共價修飾的化學反應機理和調控機制尚不清楚。
在該工作中，研究人員首先在體外重構了SMO蛋白的膽固醇化共價修飾反應，發現該反應不依賴於額外的能量和其它蛋白，但鈣離子能增强膽固醇探針對SMO的共價修飾。進一步質譜分析發現修飾位點D95會首先與臨近的Y130側鏈形成內酯，鈣離子通過促進D95-Y130內酯向D95-膽固醇酯的轉酯反應，增强SMO的膽固醇修飾（圖1）。
圖1.SMO膽固醇化共價修飾的化學反應機理
隨後，研究人員發現當細胞受到Hh訊號刺激時，SMO早期內體囊泡中的鈣離子濃度明顯上升。進一步篩選發現Hh訊號通過啟動STIM-ORAI1鈣離子通道介導胞外鈣離子內流（圖2）。
圖2.Hh促進SMO膽固醇化修飾的信號轉導途徑
為探究膽固醇共價修飾對於啟動SMO的重要性，研究人員基於SMO結構構建了SMO（D95E）突變。該突變保留SMO結合膽固醇的能力，但不能被膽固醇共價修飾。在細胞水准上，SMO（D95E）突變體極大降低下游Hh訊號通路活性。同源位點（SmoD99E）敲入純合子小鼠表現出嚴重發育遲緩，導致胚胎致死，說明膽固醇修飾缺失會完全抑制SMO蛋白的活性。
據悉，該研究工作得到了基金委“生物大分子動態修飾與化學干預”重大研究計畫資助。
論文連結：https://doi.org/10.1038/s41422-022-00622-0