Clinical and Translational Medicine：税光厚团队揭示CerS2介导Mad2信号通路维持肝细胞正常分裂的分子机制

2022年1月，中科院遗传发育所、中科脂典的相关研究人员在《Clinical and Translational Medicine》（IF: 11.5）上发表了题为“Hepatic loss of CerS2 induces cell division defectsvia a mad2-mediated pathway”的研究论文，揭示了CerS2在细胞分裂过程中对维持肝脏染色体多倍化的作用及相关调控途径。

亮点概述：

CerS2的缺失在体内/体外导致肝细胞分裂缺陷，表现出肝细胞多倍体异常。
CerS2 的缺失会导致肝细胞核中具有特定酰基链长的鞘脂显示出不同程度的紊乱。
CerS2可能通过MAD2-MKLP2-CPC轴维持正常的细胞分裂，体外Mad2下调缓解 CerS2 缺失导致的染色体多倍化。

研究背景：

细胞分裂失败是肝细胞多倍化的主要原因。然而，关于神经酰胺合酶（CerS）和多倍体的研究很少。CerS有六种亚型 (CerS1-CerS6)，每种亚型具有合成不同酰基链长的 (C14:0-C30:0) 神经酰胺，并具有组织特异性分布。其中CerS2优先合成较长酰基链 C22:0、C24:0和C24:1的神经酰胺。针对特异性合成较长N-酰基链长神经酰胺的CerS2开展科学研究，对进一步探究特定酰基链长的鞘脂的生理功能具有非常重要意义。

研究人员首先使用 Cre-loxp 系统构建了肝脏特异性 CerS2 基因敲除小鼠（cKO 小鼠）。组织形态学分析显示 cKO 小鼠在 3 周（断奶前）、1 月龄、3 月龄（断奶后）和 6 龄月时的肝细胞表现出异常增大的细胞核。流式细胞术分析表明， CerS2 缺失的肝细胞显示出显著更高比例的八倍体或十六倍体肝细胞和更少的二倍体肝细胞，且随着年龄的增长，cKO小鼠中八倍体肝细胞的比例逐渐增加。为确定每个肝细胞内细胞核的数量，接下来进行细胞膜(β-catenin)免疫染色分析。与WT小鼠相比， CerS2敲除的肝脏组织中双核肝细胞的比例显著减少，相应的单核肝细胞增多。此外，随着小鼠年龄的增加，cKO 小鼠显示出局灶性脂肪积聚可进一步发展为肝癌。

CerS2参与肝染色体多倍化和肝细胞癌的调控

细胞核具有较高的脂代谢能力细胞器，在许多细胞过程中发挥着独特的作用，包括DNA复制、RNA处理、染色质结构和Ca2+稳态等。研究人员接着探究了CerS2 缺失是否影响肝细胞核的鞘脂代谢。LC-MS/MS分析显示，在cKO 小鼠在cKO小鼠中肝细胞细胞核中Cer、SM、LacCer和GluCer含量不变，而特定酰基链长的鞘脂显示出不同程度的紊乱。

CerS2对肝细胞核鞘脂代谢途径的影响

为了探索CerS2 cKO小鼠染色体异常多倍体的机制，研究人员对细胞分裂S期PCNA和有丝分裂期PHH3进行免疫染色。结果表明，cKO肝脏中大量多倍体细胞在有丝分裂期M期被阻滞。为了进一步确定cKO小鼠阻滞在M期哪个阶段，使用延时成像来来追踪肝细胞细胞周期过程。结果显示，cKO小鼠中肝细胞在分裂中期(细胞呈现典型的圆形)时间显著延长，并伴随高比例的不完全胞质分裂。表明CerS2的缺失导致肝细胞分裂缺陷。

鉴于 CerS2 表达缺失与肝染色体异常多倍体之间的功能相关性，研究人员对 1 月龄的 WT 和 CerS2 缺失的肝组织进行了蛋白质组学分析。信号通路分析表明，上调的差异蛋白表达主要分布在DNA 复制、细胞周期和肝癌相关通路中。在差异性表达的蛋白中，有10个蛋白与细胞周期有关，其中Mad2是上调较为显著的蛋白。Mad2 表达增加会阻止下游有丝分裂驱动蛋白 2 (Mklp2) 将染色体信使复合体 (CPC) 从着丝粒转移到中央纺锤体的功能，从而导致胞质分裂不完全。在CerS2-cKO肝脏中，Mklp2蛋白水平显著降低。因此， CerS2可能通过MAD2-MKLP2-CPC轴维持正常的细胞分裂。