2017年10月31日，國際醫(yī)學領域經典權威期刊《The Journal of Clinical Investigation》在線發(fā)表了上海復旦大學生命科學學院林鑫華課題組與美國辛辛那提兒童醫(yī)院杰弗里•惠賽特(Jeffery Whitsett)教授課題組合作的一篇研究論文，論文報道了蛋白糖Heparan sulfate與內質網(wǎng)相關蛋白EMC3參與調控小鼠肺早期發(fā)育的分子機制研究進展。林鑫華教授與杰弗里•惠賽特(Jeffery Whitsett)教授作為共同通訊作者。
肺是人體進行氣體交換的重要器官。從早期胚胎發(fā)育中肺芽形成開始，人體中肺經歷了一系列形態(tài)變化，一直延續(xù)至出生后才逐漸發(fā)育完善。小鼠是研究肺發(fā)育的重要模式生物。近年來，林鑫華課題組以小鼠作為主要研究對象，對肺的早期發(fā)育開展了系統(tǒng)的研究工作。
肺的發(fā)育缺陷會導致先天性或產后的呼吸系統(tǒng)疾病。哺乳動物肺從肺芽發(fā)育至完整的樹枝狀結構經歷了由諸多因素參與調控的復雜的發(fā)育過程。目前已知多種形成素信號在上皮細胞和間質中的相互作用引導了哺乳動物中肺的形態(tài)發(fā)育，但對于細胞表面與胞外基質分子對形成素信號的調控作用仍然知之甚少。Heparan Sulfate Glycosaminoglycans(簡稱HS-GAG)廣泛分布于細胞表面與胞外基質中，并被推測可能參與介導FGF信號轉導。
課題組前期工作發(fā)現(xiàn)，在小鼠上皮中條件性敲除參與合成HS的糖基轉移酶基因Ext1會導致肺分支膨大與分支數(shù)目減少，同時伴有間充質發(fā)育缺陷。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF10在Ext1缺陷型小鼠的肺部的表達范圍和表達量都有明顯增加，同時，抑制FGF10表達的SHH信號減弱。課題組在缺陷型小鼠的肺中恢復SHH信號的活性，發(fā)現(xiàn)SHH信號的恢復拯救了肺分支頂端膨大的異常表型并削弱了FGF信號。值得注意的是，缺失Ext1并未影響肺上皮中SHH的表達量與其蛋白的穩(wěn)定性，SHH信號減弱是由于生物活性形式的SHH蛋白在Ext1缺陷的上皮細胞與周圍野生型間充質細胞中均有明顯降低。該研究明確了上皮HS在維持SHH信號活性中具有至關重要的作用，并由此參與決定肺發(fā)育過程中上皮-間充質的相互作用，為研究許多肺部疾病(如癌癥、纖維化和慢性阻塞性肺病)的發(fā)病機制提供了重要的參考信息。
在正常的肺分支發(fā)育過程中，上皮細胞產生的SHH傳遞信號至間充質細胞以調控fgf10的表達模式。在小鼠的肺上皮細胞中條件性敲除HS的合成酶基因Ext1使得生物活性形式的SHH在上皮細胞與間充質細胞中的表達均顯著降低，并由此導致相關受體細胞中信號活性減弱，F(xiàn)gf10表達失控，最終導致了分支尖端膨大與分支數(shù)目減少。
胎兒出生后，對于出生時呼吸的適應有賴于肺表面活性物質的合成。肺表面活性物質是一種脂質-蛋白復合體，能夠降低氣液界面的肺泡表面張力，防止氣體交換期間發(fā)生肺塌陷。
本次研究組證明編碼內質網(wǎng)膜復合體(endoplasmic reticulum membrane complex，EMC)一個亞基的基因Emc3 / Tmem111在肺表面活性物質合成和維持出生時正常的肺功能中發(fā)揮著重要作用。合作研究發(fā)現(xiàn)，在胚胎肺上皮細胞中條件性敲除Emc3破壞了表面活性物質的脂質和蛋白質的合成與包裝，損傷了板層小體的形成，引發(fā)了II型肺泡細胞中的未折疊蛋白效應(unfolded protein response，UPR)。進一步研究顯示，EMC3在表面活性蛋白SP-B、SP-C及磷脂轉運蛋白ABCA3的加工和運輸中發(fā)揮著至關重要的作用。結合轉錄組、脂質組學和蛋白質組學分析，明確了EMC3作為內質網(wǎng)復合體的關鍵亞基，在II型肺泡細胞中參與調控出生時肺功能所必需的表面活性物質相關的脂質和蛋白質合成。研究結果支持EMC3與EMC復合體在以下過程中的關鍵作用：1)出生時表面活性物質中關鍵蛋白質的折疊和穩(wěn)定;2)內質網(wǎng)中的未折疊蛋白效應;3)通過II型肺泡細胞調控脂質生成。該研究明確了EMC3作為內質網(wǎng)膜復合體重要元件參與調控肺表面活性物質相關的蛋白與脂質的合成，對于維持產后正常呼吸具有至關重要的作用。
該模型建立在轉錄組測序分析與蛋白質組學分析的基礎上。條件性敲除Emc3破壞了AT2細胞中表面活性物質的正常合成，而Emc3缺失引起的呼吸衰竭可能通過直接和間接的過程反映了EMC3對表面活性物質合成的復合作用。
先天性肺發(fā)育不良會導致新生兒中很多呼吸系統(tǒng)相關的先天疾病的發(fā)生。林鑫華教授團隊先后兩項關于肺早期發(fā)育的研究為闡明出生前肺的早期發(fā)育提供了重要的參考, 對于進一步預防與治療新生兒呼吸系統(tǒng)疾病具有十分重要的意義。
圖1：上皮HS調控肺分支發(fā)育的模式圖。
圖2：EMC3調控表面活性物質生物合成的模式圖。
原文鏈接：
EMC3 coordinates surfactant protein and lipid homeostasis required for respiration
原文摘要：
Adaptation to respiration at birth depends upon the synthesis of pulmonary surfactant, a lipid-protein complex that reduces surface tension at the air-liquid interface in the alveoli and prevents lung collapse during the ventilatory cycle. Herein, we demonstrated that the gene encoding a subunit of the endoplasmic reticulum membrane complex, EMC3, also known as TMEM111 (Emc3/Tmem111), was required for murine pulmonary surfactant synthesis and lung function at birth. Conditional deletion of Emc3 in murine embryonic lung epithelial cells disrupted the synthesis and packaging of surfactant lipids and proteins, impaired the formation of lamellar bodies, and induced the unfolded protein response in alveolar type 2 (AT2) cells. EMC3 was essential for the processing and routing of surfactant proteins, SP-B and SP-C, and the biogenesis of the phospholipid transport protein ABCA3. Transcriptomic, lipidomic, and proteomic analyses demonstrated that EMC3 coordinates the assembly of lipids and proteins in AT2 cells that is necessary for surfactant synthesis and function at birth.