刺猬信号可以增强糖酵解ATP的产生果蝇翼阀瓣

Ioannis所以nella,k . Venkatesan艾耶胡安·m·Iglesias-Artola安德烈•纳德勒娜塔莉·a .染料苏珊娜伊顿

预印本发布于2021年9月12日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.09.11.459911v1

刺猬与糖酵解:调节发育中的果蝇翅盘能量生产的完美团队。

选择茱莉亚Grzymkowski

背景

发育组织的生长是一个能量依赖的过程，依赖于ATP水平和生物合成前体的生产。“有氧代谢”(即Warburg效应)的概念，即尽管呼吸活跃，葡萄糖摄取仍会增加，在癌症的背景下已被广泛研究。增加的葡萄糖摄取允许癌细胞重定向糖酵解代谢物到生长所需的生物合成途径。最近，有研究表明，一些发育中的组织和/或细胞也显示有氧代谢(1-3)，糖酵解调节迁移和分化等发育过程。此外，形态发生信号(如Wnt、FGF、Hh)和代谢之间的联系最近在不同的发育背景下被确立，确定如何操控一个可能影响另一个仍然是一个值得关注的问题(1,4)。然而，这一领域的研究仍处于初级阶段。在他们的预印本里，内拉斯等利用荧光生物传感器研究果蝇翅盘内ATP的空间动力学，以及Hedgehog (Hh)信号如何影响该组织发育过程中的能量生产。

重要发现

使用基于fret的ATP传感器，作者发现ATP水平在整个翼袋保持稳定，但在抗霉素a的氧化磷酸化(OxPhos)抑制后显著下降。进一步观察，作者注意到，与其他区域相比，抗霉素a处理时，翼盘的两个特定区域的ATP水平下降显著慢。这些ATP下降较慢的区域在已知的生长“组织者”区域内:在背腹边界(DV)，有高的Wingless/Notch信号，在前后边界(AP)附近，有高的Hh信号。作者推测，这些组织者区域可能在OxPhos抑制过程中通过糖酵解产生更多ATP，这可能解释了ATP水平下降更慢的原因。同时抑制OxPhos和糖酵解会导致整个翼盘ATP水平急剧下降，包括组织者区域。因此，作者得出结论，翼盘中的大多数ATP是由OxPhos产生的，但当OxPhos被抑制时，糖酵解继续在组织者区域内产生显著水平的ATP。

这些结果表明，形态信号可能控制这些生长组织者区域的能量生产。Hh在翅盘的后腔室表达，然后在那里它被膜蛋白Patched (Ptc)接收到。在缺乏Hh配体的情况下，Ptc通常是一个Hh信号阻遏因子，Hh与Ptc结合可以通过下游转录因子Cubitus interruptus (Ci)激活基因表达。Ptc在翼盘背侧隔室内通过RNAi被抑制，腹侧隔室成为内部控制(图1A)。这导致了背侧前区Hh通路的过度激活，在OxPhos抑制后，ATP水平的下降显著放缓(图1C)。为了进一步评估翼盘糖酵解是否需要Hh通路，Ci的显性负型在背室中过度表达。在这一区域失去Hh信号后，经抗霉素a处理后，ATP水平下降的速度比腹侧腔室更快。总之，本文和他们之前的工作(4)显示了Hh和糖酵解之间的正反馈循环，这是发育过程中耦合能量生产和模式所需的。

图1所示。A) Ptc仅在翅盘背侧室被抑制，导致背侧前(DA)区域的Hh通路过度激活(B)。C)抗霉素A处理后，Hh信号通路增加导致翅盘DA区域ATP消耗减慢。(改编自图3,Nellas等人，2021年)

为什么我选择这个预印本

这个预印本利用了一个简单但强大的系统——果蝇翅盘，来进一步研究新陈代谢和形态形成信号之间的相互作用，这是一个鲜为人知的话题。这里提出的结果增加了重要的和令人信服的证据，发育模式事件依赖于代谢，反之亦然。此外，利用基于傅里叶变换的ATP传感器提供空间信息，这在研究模式事件时至关重要。这样的研究为其他研究人员探索发育过程中的代谢调节奠定了基础。

对作者的提问

在评估ATP耗尽动力学时，在某些情况下，区域之间的半衰期会有显著差异，而希尔系数没有显著差异(如图3)。作者能否评论动力学读数的可靠性是否存在差异?
它看起来像翅盘的背侧部分表达Ci^DN(因此减少了Hh信号/糖酵解)明显小于翅盘腹侧的WT部分。在Ptc的前背侧区域，你看到任何异常的生长/增长吗^RNAi翼盘(增加Hh信号/糖酵解)?
有限数量的研究证实了NAD+代谢和形态信号转导之间的联系(5,6)。考虑到NAD+在糖酵解和OxPhos中的重要性，您认为NAD+水平可能对您的系统中的Hh信号传导有影响吗?

引用:

黄志明，陈志明，陈志明，陈志明，陈志明，陈志明，陈志明，陈志明，& Pourquié， O.(2017)。在羊膜胚胎体轴延伸过程中，糖酵解活性梯度协调FGF和Wnt信号。细胞发育, 40 (4), 342 - 353. - e10。
Bulusu, V.， Prior, N.， Snaebjornsson, m.t .， Kuehne, A.， Sonnen, K. F.， Kress, J.， Stein, F.， Schultz, C.， Sauer, U.， & Aulehla, A. (2017)小鼠胚胎中胚层发育相关糖酵解活性梯度的时空分析。细胞发育40 (4), 331 - 341. - e4。
Bhattacharya, D.， Azambuja, a.p.， & Simoes-Costa, M.(2020)。代谢重编程通过Yap/Tead信号促进神经嵴迁移。细胞发育53 (2), 199 - 211. - e6。
Spannl, S.等(2020)。糖酵解通过质膜电位调控Hedgehog信号。在EMBO杂志， 39(21)， p. e101767。doi: 10.15252 / embj.2019101767。
Piao J.， Tsuji K.， Ochi H.等(2013)。Sirt6通过Ihh信号通路调控出生后生长板分化和增殖。Sci代表, 3022。https://doi.org/10.1038/srep03022．
Lee, J.， Kee, H. J.， Min, S.等(2016)。综合组学分析揭示wnt介导的肿瘤干细胞中NAD+代谢重编程。Oncotarget7(30), 48562 - 48576。https://doi.org/10.18632/oncotarget.10432

标签:能源，飞翼，模式

发布日期:2021年10月8日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.30782

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作者的回应

娜塔莉染料共享

在评估ATP耗尽动力学时，在某些情况下，区域之间的半衰期会有显著差异，而希尔系数没有显著差异(如图3)。作者能否评论动力学读数的可靠性是否存在差异?

这两个值都需要完全描述动力学剖面，因此应该一起考虑。两者都不是更可靠的——相反，它们提供的信息各不相同。半衰期描述了达到最大值和底值(A)之间的中点所需的时间，而希尔系数描述了拟合曲线在半值(B)处的斜率。例如，在Ptc的情况下^RNAi抗霉素对椎间盘的半衰期影响不大，但对希尔系数影响不大。因此，受影响的组织能够比内部控制更长时间地维持ATP的稳定水平，但当水平下降时，它们以类似的速度这样做。相比之下，在词^DN在这种情况下，ATP水平下降得更快，甚至比对照组下降得更快。未来通过实验和数学建模来进一步研究其潜在机制将是非常有趣的。

它看起来像翅盘的背侧部分表达Ci^DN(因此减少了Hh信号/糖酵解)明显小于翅盘腹侧的WT部分。在Ptc的前背侧区域，你看到任何异常的生长/增长吗^RNAi翼盘(增加Hh信号/糖酵解)?

事实上，我们确实看到背室过度表达Ci^DN比对照(腹侧)小，虽然我们没有报告这一结果的量化。当Ptc(列车自动控制系统)^RNAi在背腔室中，我们看到过度生长和更高的有丝分裂密度(如图S5所示)。然而，有趣的是，我们没有观察到有丝分裂密度在背室前后区域之间的显著差异，这表明Ptc的影响^RNAi对代谢的影响可以与其对增殖的影响脱钩。

有限数量的研究证实了NAD+代谢和形态信号转导之间的联系(5,6)。考虑到NAD+在糖酵解和OxPhos中的重要性，您认为NAD+水平可能对您的系统中的Hh信号传导有影响吗?

我们不知道，因为我们还没有探究机翼盘上的NAD+/NADH比值或整体氧化还原状态，所以我们只能推测。在文献中有一些非常有趣的古老的报告关于翅膀中NADPH产生酶的空间模式。对翼盘外植体进行的比色酶活性测定表明，G6PD在翼盘DV区活性高，而AP区活性低，而IDH在翼盘除AP区外的其他部位活性高(Cunningham)et al。1983年，库恩和坎宁安1986年)。研究这些氧化还原辅助因子相互转化的NAD激酶和NADP磷酸酶的空间表达和/或活性，以及寻找与Hh通路的任何功能性相互作用，都是很有趣的。

参考文献:

Cunningham GN, Smith NM, Makowski MK, Kuhn DT。D. melanogaster成象盘的酶模式:葡萄糖-6-磷酸和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的分布。万国光。1983;191(2):238-43。doi: 10.1007 / BF00334820。PMID: 6413822。

库恩DT，坎宁安GN。异柠檬酸脱氢酶在D. melanogaster imaginal discs:模式的发展和同型突变基因的改变。Dev麝猫。1986;7(1):还是。doi: 10.1002 / dvg.1020070103。PMID: 2899465。