Chemical genetic dissection of Hipk4-dependent Hedgehog pathway activation

Hipk4 依赖性 Hedgehog 通路激活的化学遗传学剖析

基本信息

  • 批准号:
    8929276
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.63万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-09-22 至 2017-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Cellular responses to Hedgehog (Hh) morphogens culminate in Gli transcription factor activation and the execution of genetic programs associated with tissue patterning, homeostasis and transformation. For example, Hh signaling contributes to formation of the brain, spinal cord, musculature, and skeleton, and pathway dysregulation has been linked to basal cell carcinoma, medulloblastoma, small cell lung cancer, and chronic myelogenous leukemia. Deciphering the molecular mechanisms that control Gli activity state is therefore integral to our understanding of ontogeny and oncogenesis. Several canonical Hh signaling proteins have been identified through mutagenesis or RNA interference screens, including the transmembrane proteins Patched1 (Ptch1) and Smoothened (Smo) and the Gli-interacting protein Suppressor of Fused (Sufu). However, the biochemical and cellular events associated with Gli activation remain enigmatic, particularly those that map downstream of Smo. To gain new insights into this process, we have completed the first genome-scale cDNA overexpression screen for Hh pathway activators, surveying 15,483 mammalian open reading frames (ORFs). Through this gain-of-function screen, cell biological studies, and biochemical analyses, we have discovered that Hipk4, an atypical member of the homeodomain-interacting protein kinase family, acts downstream of Smo to modulate Gli function. Our preliminary studies demonstrate that Hipk4 regulates Gli activity through at least two distinct mechanisms. First, Hipk4 acts in a Smo-independent manner to abrogate the proteolytic processing of Gli factors into transcriptional repressors, generating an intracellular pool of full-length protein that is primed for Hh ligand-dependent activation. Accordingly, Hipk4-overexpressing cells are ultrasensitive to Hh stimulation, and silencing of endogenous Hipk4 by RNA interference inhibits Hh signal transduction. Second, Hipk4 can potentiate cellular responses to exogenous Gli1 or Gli2, as well as elevate the constitutive Hh pathway activity in Sufu null cells, indicating that tis serine/threonine kinase can upregulate the transcriptional activity of full-length Gli proteins to maximize Hh target gene expression. Our findings open a new window into the mechanisms that control Gli function, and discovering the substrates of Hipk4 will reveal some of the key molecular steps in this process. We are now pursuing this goal by integrating a chemical genetic strategy for tagging Hipk4 substrates, mass spectrometry-based sequencing, and various cell biological measures of Hh pathway state. These investigations will advance our basic understanding of Hh signal transduction and foster new strategies for the treatment of Gli-dependent diseases.
描述(由申请人提供):细胞对 Hedgehog (Hh) 形态发生素的反应最终导致 Gli 转录因子激活以及与组织模式、稳态和转化相关的遗传程序的执行。例如,Hh 信号传导有助于大脑、脊髓、肌肉组织和骨骼的形成,而通路失调与基底细胞癌、髓母细胞瘤、小细胞肺癌和慢性粒细胞白血病有关。因此,破译控制 Gli 活性状态的分子机制对于我们理解个体发育和肿瘤发生至关重要。通过诱变或 RNA 干扰筛选,已鉴定出几种典型的 Hh 信号蛋白,包括跨膜蛋白 Patched1 (Ptch1) 和 Smoothened (Smo) 以及 Gli 相互作用蛋白 Suppressor of Fused (Sufu)。然而,与 Gli 激活相关的生化和细胞事件仍然是个谜,特别是那些映射到 Smo 下游的事件。为了获得对该过程的新见解,我们完成了第一个 Hh 通路激活剂的基因组规模 cDNA 过表达筛选,调查了 15,483 个哺乳动物开放阅读框 (ORF)。通过这种功能获得筛选、细胞生物学研究和生化分析,我们发现 Hipk4(同源结构域相互作用蛋白激酶家族的非典型成员)在 Smo 下游发挥作用,调节 Gli 功能。我们的初步研究表明 Hipk4 通过至少两种不同的机制调节 Gli 活性。首先,Hipk4 以不依赖于 Smo 的方式发挥作用,消除 Gli 因子向转录抑制因子的蛋白水解过程,生成细胞内全长蛋白库,为 Hh 配体依赖性激活做好准备。因此,Hipk4 过表达细胞对 Hh 刺激超敏感,通过 RNA 干扰沉默内源性 Hipk4 会抑制 Hh 信号转导。其次,Hipk4 可以增强细胞对外源 Gli1 或 Gli2 的反应,并提高 Sufu 无效细胞中的组成型 Hh 通路活性,表明 tis 丝氨酸/苏氨酸激酶可以上调全长 Gli 蛋白的转录活性,以最大化 Hh 靶基因表达。我们的研究结果为了解控制 Gli 功能的机制打开了一个新的窗口,并且发现 Hipk4 的底物将揭示该过程中的一些关键分子步骤。我们现在正在通过整合标记 Hipk4 底物的化学遗传策略、基于质谱的测序以及 Hh 通路状态的各种细胞生物学测量来实现这一目标。这些研究将增进我们对 Hh 信号转导的基本了解,并培育治疗 Gli 依赖性疾病的新策略。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Thinking big with small molecules.
小分子大思维。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2015-04-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Mruk, Karen;Chen, James K
  • 通讯作者:
    Chen, James K
HIPK4 is essential for murine spermiogenesis.
HIPK4 对于小鼠精子发生至关重要。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2020-03-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.7
  • 作者:
    Crapster, J Aaron;Rack, Paul G;Hellmann, Zane J;Le, Austen D;Adams, Christopher M;Leib, Ryan D;Elias, Joshua E;Perrino, John;Behr, Barry;Li, Yanfeng;Lin, Jennifer;Zeng, Hong;Chen, James K
  • 通讯作者:
    Chen, James K
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