Current Biology丨张普民/李悄然等揭示FA2H通过修饰果蝇膜鞘脂控制冷温传感
果蝇脂质组学助力揭示FA2H通过修饰果蝇膜鞘脂控制冷温传感
2024年2月，浙江大学转化医学研究院/浙江大学医学院附属第一医院张普民教授团队相关研究人员在《Current Biology》（IF: 9.2）上发表了题为“FA2H controls cool temperature sensing through modifying membrane sphingolipids in Drosophila”的研究论文，揭示了FA2H在温度传感中的新作用，并为膜脂质组成与温度传感离子通道功能之间的联系提供了新的见解。特聘研究员李悄然为第一作者和共同通讯作者，浙江大学医学院转化院博士研究生陈丽敏为共同第一作者。该文章得到浙江大学医学院附属第一医院特聘研究员启动经费和国家自然科学基金青年项目的支持。
亮点概述：
fa2h对于果蝇的冷觉感知至关重要
冷觉感知细胞（CCs）需要fa2h来感应降温
FA2H催化2-羟基鞘脂的形成并维持CCs的膜流动性
FA2H调节HEK293T细胞中TRPV4通道的功能
研究背景：
温度传感对动物来说至关重要，因为它们不断寻找合适的生活环境，以避免可能损害其生命过程的极端温度。从昆虫到人类，瞬时受体电位（TRP）通道是进化上保守的分子，大多被很好地描述并直接感知温度动态。例如，TRPV4感知温暖（>27℃–42℃），TRMP8感知寒冷（<25℃）。细胞膜由不同的脂质组成，从而产生不同的物理特性。脂质结构和成分的微小变化会对生物过程产生深远影响。然而，细胞膜的物理性质如何在调节温度传感等感觉方面发挥作用在很大程度上是未知的。
果蝇是研究包括温度传感在内的感觉分子机制的杰出模型。它们具有灵敏的温度感知能力，即使是环境温度的微小变化，也会对它们的发育、寿命、繁殖、昼夜节律、睡眠模式和其他感官形式(如甜味感知)产生深远的影响。在幼虫中，位于背器官神经节（DOG）的三个对冷敏感神经元，称为冷觉感知细胞（CCs）。在研究人员以前的工作中, 发现了Gal4插入系11216-Gal4，它特别标记了DOG中的三个冷敏感神经元，与其他国际团队同时期筛选出的的CCs非常相似。然而，当时Gal4片段插入基因组的位置和可能的被调控基因还不清楚。
研究人员首先利用分子遗传学分析来确定11216-Gal4 插入的位置，结果发现它存在于编码脂肪酸2-羟化酶(FA2H)的fa2h 中，并驱动幼虫中冷感应神经元的独特表达模式。研究人员随后使用CRISPR-Cas9构建了fa2h 突变体，并进行了果蝇幼虫的趋热行为测定，发现fa2h 突变体表现出冷温回避行为的缺陷。进一步使用组织特异性 Gal4 驱动因子敲低不同细胞亚型的fa2h 表达，发现 fa2h作用于CCs，通过在CCs中遗传性地重新引入野生型FA2H而不是通过酶失活的点突变可以挽救冷温回避行为缺陷表型，表明FA2H 蛋白本身不能直接参与 CCs 的神经元功能，但FA2H酶产物的下游效应起作用。对fa2h 突变体果蝇的体内Ca2+成像实验验证了以上结果。此外，在降温神经元中过表达fa2h 会增加幼虫对降温温度的敏感性。
fa2h 突变体表现出避冷行为的缺陷
接着，研究人员探究了FA2H如何调节CCs的神经元功能以响应冷温。FA2H是一种从酵母到人类发现的高度保守的羟化酶，它催化脂肪酸的2-羟基化，而2-羟基脂肪酸是构建2-羟基鞘脂（2-OH SPLs）N-酰基链的原料。2-OH-SPLs 是细胞膜脂质成分的一种亚型。因为含2-OH 的 SPLs 物种通过分子氢键促进脂筏的形成，从而有助于细胞膜的刚性。为了研究fa2h 突变体的脂质组成会如何变化，研究人员从fa2h 突变体和对照组果蝇中提取了细胞膜脂质，并进行了广靶脂质组学分析，共定量了14类200多种脂质，包括主要的甘油磷脂（GPLs）和三种主要的SPLs——神经酰胺磷酸乙醇胺（PECer）、己糖神经酰胺（HexCer）和神经酰胺（Cer）——及其相应的2-羟基衍生物。数据分析表明，fa2h 突变体中神经元膜上2-OHSPLs的比例显著降低，膜靶向报告蛋白的光漂白（FRAP）后荧光回收实验发现，FA2H特异性地调节膜流动性和膜蛋白的迁移率，2-OHSPLs含量的减少会导致CCs神经元膜的流动性增加。通过饮食补充2-OHCers可挽救fa2h 敲除果蝇冷温回避行为缺陷表型。
fa2h 突变体中2-OHSPLs代谢异常和CCs膜流动性增加
果蝇的研究数据可以看出，fa2h 维持的细胞膜流动性与冷感觉神经元的温度感知能力密切相关。最后，研究人员探究了哺乳动物同源物hFA2H是否会像经典TRP通道一样对温度感受器的生物学功能产生显著性影响，发现hFA2H可调节HEK293T细胞中TRPV4通道对GSK101激动剂刺激和升温的反应。
综上所述，该研究确定编码FA2H的fa2h 通过产生其代谢的2-OH SPLs来维持冷感神经元膜的物理性质，从而在幼虫的冷感应中发挥关键作用。
