Science | 系统解析类泛素蛋白在表皮稳态、炎症和组织愈合中的功能|免疫性疾病|泛素|炎症|细胞|蛋白酶|表皮

撰文 | 格格

表皮屏障功能、再生和炎症对陆生生物至关重要【1】。分层上皮组织通过祖细胞自我更新与终末分化产生屏障这一过程的平衡来维持稳态【2】，而损伤后的再生能力和感染后的炎症应答进一步增强了这一稳态调控【3】。多种信号通路通过转录调控和翻译后修饰重塑蛋白质组【4】。角质形成细胞凭借特化的蛋白质组执行屏障保护和免疫监视功能，其稳态失衡可导致银屑病、伤口愈合障碍和鳞状细胞癌。表皮分化伴随着转录组和蛋白质组的广泛重塑【5】，但泛素-蛋白酶体及类泛素修饰系统在这一过程中的调控逻辑尚不清晰，不同类泛素修饰因子是否存在功能上的分工或对抗也仍有待回答。

近日，来自美国斯坦福大学上皮生物学研究中心的Paul A. Khavari研究团队在Science杂志发表题为Ubiquitin-like proteins NEDD8 and SUMO2 control epithelial homeostasis, regeneration,and inflammation的研究论文，该研究采用单细胞扰动筛选、空间转录组学、定量蛋白质组学和全基因组CRISPR筛选等多维技术，系统解析了泛素-蛋白酶体通路及相关类泛素蛋白在表皮稳态、炎症和组织愈合中的功能，并首次发现NEDD8与SUMO2在该体系中发挥相反且不可或缺的作用。

首先，为系统描绘表皮分化中的RNA和蛋白质动态变化，研究人员对分化时间进程进行了多组学分析，捕获8500余个转录本、9100种蛋白质及31000余条修饰肽段，鉴定出五种蛋白表达模式，并发现部分蛋白丰度剧烈变化但对应转录本保持稳定，提示翻译后修饰发挥重要作用，而泛素化通路的核心酶表达稳定，暗示类泛素通路是驱动表皮蛋白质组重塑的选择性因素。

在此基础上，通过Perturb-seq靶向202个泛素相关基因的单细胞筛选及后续验证，研究人员发现NEDD化与SUMO化对分化具有相反作用：阻断NEDD化促进角质形成细胞分化而阻断SUMO化则抑制其分化，且野生型而非GG基序缺失突变体能分别挽救相应表型，证明该效应依赖于类泛素共价连接。集落形成和迁移实验进一步证实NEDD8维持祖细胞功能而SUMO2促进分化。

借助表皮特异性诱导型敲除小鼠，研究人员在活体层面验证了NEDD8与SUMO2的对立功能。Nedd8敲除导致表皮提前分化、屏障受损、再生障碍并伴随持续炎症，而Sumo2敲除则表现为分化受阻和屏障缺陷，但愈合能力不受影响。单细胞和空间转录组学揭示，NEDD8缺失引起中性粒细胞浸润和基底细胞耗竭，SUMO2缺失则诱导T细胞聚集，二者均触发表皮-免疫-基质间的信号网络重编程。就具体功能而言，再上皮化特异依赖于NEDD8，而屏障功能的维持则同时需要两者。

机制层面，研究人员发现NEDD8缺失激活NRF2信号并驱动氧化应激相关炎症，但Nedd8/Nrf2双敲除小鼠显示NRF2缺失仅消除炎症表型，分化缺陷和屏障障碍依然存在，提示NEDD8还具有NRF2非依赖性功能。进一步通过蛋白质组药理学筛选，研究人员将NEDD8的调控效应分为两类：一类与泛素-蛋白酶体系统一致，主要调控应激和黏附相关蛋白；另一类为NEDD8独有，主要影响角化包膜形成和NF-κB信号。与此同时，转录组分析显示，抑制NEDD8会广泛改变数千个转录本的稳定性和丰度，其中分化相关转录本趋于稳定，而细胞周期相关转录本则趋于降解。

最终，通过CRISPR筛选和免疫共沉淀质谱，研究人员锁定RNA结合蛋白HNRNPU为NEDD8的直接靶标。敲除HNRNPU所产生的表型与NEDD8缺失高度相似，而将其八个赖氨酸位点突变为精氨酸后则无法挽救分化缺陷。RNA结合谱分析表明，抑制NEDD8会改变HNRNPU与数千个转录本的结合模式，其中分化相关基因趋向稳定，而细胞周期相关基因趋向降解。进一步发现，未分化细胞中HNRNPU-NEDD8相互作用较强，分化后明显减弱，而在鳞状细胞癌中该信号显著升高。

图一 NEDD8维持干性与SUMO2驱动分化共同决定上皮细胞命运

总之，该研究揭示了NEDD8与SUMO2在上皮分化、再生和炎症中的对立功能，并首次发现NEDD8通过修饰HNRNPU双向调控mRNA稳定性来决定细胞命运，为皮肤稳态失衡相关疾病的治疗提供了新靶点。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb3900

制版人：十一

参考文献

1. K. Madison, Barrier Function of the Skin: “La Raison d’Être” of the Epidermis.Journal ofInvestigative Dermatology, 121, 231–241 (2003).

2. I. H. Kuo, T. Yoshida, A. De Benedetto, L. A. Beck, The cutaneous innate immune response inpatients with atopic dermatitis.J. Allergy Clin. Immunol.131, 266–278 (2013).

3. P. H. Jones, F. M. Watt, Separation of human epidermal stem cells from transit amplifyingcells on the basis of differences in integrin function and expression.Cell73, 713–724 (1993).

4. S. Werner et al., The function of KGF in morphogenesis of epithelium and reepithelializationof wounds.Science266, 819–822 (1994).

5. Y. Sawada et al., Cutaneous innate immune tolerance is mediated by epigenetic control of MAP2K3 by HDAC8/9.Sci Immunol6, eabe1935 (2021).

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（*排名不分先后）