KCTD1/KCTD15复合物控制外胚层和神经嵴细胞功能,其损伤导致皮肤发育不全

KCTD1/KCTD15 complexes control ectodermal and neural crest cell functions, and their impairment causes aplasia cutis

作者信息Jackelyn R Raymundo, Hui Zhang, Giovanni Smaldone, Wenjuan Zhu, Kathleen E Daly, Benjamin J Glennon, Giovanni Pecoraro, Marco Salvatore, William A Devine, Cecilia W Lo, Luigi Vitagliano, Alexander G Marneros
PMID38113115
发布时间2023-12-19
DOI10.1172/JCI174138

实验完整度

高

包含体外生化实验(免疫共沉淀、质谱、ThT、ELISA、细胞活力)、细胞实验(HaCaT、HEK293、HeLa等)、小鼠遗传模型(角质形成细胞和神经嵴细胞条件敲除)、单细胞RNA-Seq分析及组织学分析等多种证据层级。

主要模型

HEK293细胞 HaCaT角质形成细胞 小鼠遗传模型(K14Cre、Wnt1Cre等条件敲除) 单细胞RNA-Seq数据集(小鼠、人、灵长类)

重点核对

KCTD1和KCTD15的相互作用及复合物形成(免疫共沉淀、质谱) KCTD1/KCTD15突变体的显性负性效应(ThT荧光实验、AP-2α结合实验) KCTD1/KCTD15在角质形成细胞条件敲除小鼠中的皮肤表型(K14Cre) KCTD1/KCTD15在神经嵴细胞条件敲除小鼠中的ACC表型(Wnt1Cre) KCTD1和KCTD15在不同细胞类型和组织中的表达模式(报告基因小鼠、scRNA-Seq)

摘要

先天性皮肤发育不全(ACC)是一种先天性中线头皮表皮缺损,曾被认为是由原发性角质形成细胞异常所致。为何其主要在此解剖部位形成一直是一个长期未解之谜。KCTD1突变导致ACC、外胚层异常和肾脏纤维化,而KCTD15突变导致ACC和心脏流出道异常。在此,我们发现KCTD1和KCTD15可以形成多聚复合物,并能相互补偿彼此的缺失,且疾病突变是显性负性的,导致KCTD1/KCTD15功能缺失。我们证明了KCTD15对心脏流出道发育至关重要,而KCTD1调节远端肾单位功能。在角质形成细胞中联合失活KCTD1/KCTD15导致皮肤附属器异常,但不导致ACC。相反,在神经嵴细胞中失活KCTD1/KCTD15导致与中线颅骨缺损相关的ACC,表明ACC并非由角质形成细胞的原发性缺陷引起,而是颅神经嵴细胞受损的继发性后果,这些细胞产生表达角质形成细胞促进生长因子的中线颅缝细胞。我们的发现解释了KCTD1与KCTD15突变患者的临床表现,确立了KCTD1/KCTD15复合物作为外胚层和神经嵴细胞功能的关键调节因子,并将ACC定义为一种神经嵴病。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
KCTD1和KCTD15突变如何导致先天性皮肤发育不全(ACC)及相关发育缺陷?
核心机制
KCTD1和KCTD15形成异源多聚复合物,其突变体通过显性负性效应导致两者功能丧失;在神经嵴细胞中失活导致颅骨缝异常,间接引起ACC。
主要证据
通过免疫共沉淀和质谱证实KCTD1/KCTD15相互作用;小鼠模型显示角质形成细胞中双敲除导致皮肤附属器异常,神经嵴细胞中双敲除导致ACC和颅骨缺陷;scRNA-Seq显示神经嵴来源的颅缝细胞表达角质形成细胞生长因子。
研究意义
将ACC定义为神经嵴病,揭示KCTD1/KCTD15复合物是外胚层和神经嵴细胞功能的关键调节因子,为相关疾病的病理机制提供基础。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

相互作用鉴定

鉴定与KCTD1和KCTD15相互作用的蛋白质。

在HEK293细胞中过表达FLAG标记的KCTD1或KCTD15,进行免疫沉淀和质谱分析。

2

复合物结构预测

预测KCTD1和KCTD15形成多聚体的可能性。

使用AlphaFold预测KCTD1/KCTD15的同源和异源多聚体结构。

3

突变体功能分析

验证ACC相关KCTD1和KCTD15突变体的显性负性效应。

通过ThT荧光实验检测淀粉样样聚集,ELISA检测与AP-2α的结合,细胞实验观察聚集和细胞活力。

4

表达模式分析

确定KCTD1和KCTD15在不同组织和细胞类型中的表达。

利用报告基因小鼠和scRNA-Seq数据集分析Kctd1和Kctd15的表达。

5

角质形成细胞功能验证

探究KCTD1/KCTD15在角质形成细胞中的作用。

条件敲除小鼠角质形成细胞中的Kctd1和Kctd15,观察皮肤表型。

6

神经嵴细胞功能验证

探究KCTD1/KCTD15在神经嵴细胞中的作用。

条件敲除小鼠神经嵴细胞中的Kctd1和Kctd15,观察颅骨和皮肤表型。

7

心脏与肾脏表型分析

分析KCTD1和KCTD15在心脏和肾脏中的非冗余功能。

构建Kctd15-/-和Six2Cre+Kctd1fl/fl小鼠,分析心脏和肾脏表型。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
抗FLAG抗体OrigeneTA50011-100
Dynabeads蛋白GLife Technologies10004D
抗KCTD1抗体Sigma-AldrichSAB1103965
抗KCTD15抗体Abcamab106373
DAPIThermo Fisher ScientificD3571
异凝集素B4Vector LaboratoriesFL-1201
分散酶IISigma-AldrichD4693
佛波醇12-肉豆蔻酸酯13-乙酸酯Sigma-Aldrich524400
Lipofectamine RNAiMaxThermo Fisher Scientific13778030
SMARTPool Kctd15 siRNAHorizonL-052498-01-0005
SMARTPool Pax3 siRNAHorizonL-062276-01-0005
TrizolThermo Fisher Scientific15596018
高容量cDNA逆转录试剂盒Life Technologies4374966
PowerUp SYBR Green预混液Thermo Fisher ScientificA25742
QuantStudio5Applied Biosystems--
重组AP-2α蛋白OrigeneTP304603
抗KCTD1抗体LSBioLS-C260993
Varian Cary Eclipse荧光分光光度计Agilent Technologies--
Lipofectamine 3000Thermo Fisher ScientificL3000001
MICA微成像系统Leica--
Amytracker-630Ebba Biotech ABA630-MQ
ATPlite检测PerkinElmer6016943
Qubit 2.0荧光计Life Technologies--
TapeStation 4200Agilent Technologies--
QIAGEN FastSelect rRNA HMR试剂盒QIAGEN--
NEBNext Ultra II RNA文库制备试剂盒New England Biolabs--
Illumina NovaSeq 6000Illumina--
他莫昔芬Sigma-AldrichT5648
Victor Nivo酶标仪PerkinElmerHH35000500

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
免疫沉淀和质谱
HEK293细胞过表达FLAG-KCTD1或KCTD15;使用anti-FLAG抗体和Dynabeads蛋白G;IP后质谱分析。
阅读提示:Methods:免疫沉淀和质谱
突变体功能分析
KCTD1WT与突变体按5:1混合;ThT浓度50 μM;ELISA中AP-2α 200 nM;细胞转染中HaCaT、HEK293、HeLa细胞;细胞活性检测使用ATPlite。
阅读提示:Methods:Thioflavin T荧光实验、AP-2α结合实验、细胞培养实验
角质形成细胞功能验证
K14Cre小鼠;Kctd1fl/fl和Kctd15fl/fl;皮肤表型分析(P4、P7、P13、P21成年)。
阅读提示:Methods:Mice;Results:Compensation between KCTD1 and KCTD15 in keratinocytes
神经嵴细胞功能验证
Wnt1Cre小鼠;Kctd1fl/fl和Kctd15fl/fl;P0或E17.5分析颅骨和皮肤。
阅读提示:Methods:Mice;Results:ACC is a neurocristopathy
心脏表型分析
Kctd15-/-小鼠;或Wnt1Cre+Kctd1fl/flKctd15fl/fl;P0或E17.5心脏通过EFIC成像。
阅读提示:Methods:形态学分析;Results:Non-redundant functions of KCTD1 and KCTD15
肾脏表型分析
Six2Cre+Kctd1fl/fl小鼠;BUN测量;肾脏组织学检查。
阅读提示:Methods:Mice;Results:Non-redundant functions of KCTD1 and KCTD15