USP21通过去泛素化DPYSL2调控纤毛形成的分子机制研究

研究人员针对纤毛发生(ciliogenesis)分子机制不明确的问题，开展了USP21-DPYSL2调控轴在纤毛形成中的作用研究。通过构建Usp21基因敲除小鼠模型，结合细胞生物学和生物化学手段，发现USP21通过去除DPYSL2的K48连接泛素化修饰维持其中心体稳定性，从而促进纤毛形成。该研究为纤毛病(ciliopathies)的发病机制提供了新见解。

　　

纤毛作为细胞表面突出的微管基细胞器，在信号感知和运动功能中发挥关键作用。纤毛缺陷会导致多种疾病统称为纤毛病，包括Bardet-Biedl综合征、Joubert综合征和多囊肾病等。尽管近年来对纤毛发生机制的研究取得进展，但调控这一过程的分子机制仍不完全清楚。泛素化修饰作为重要的翻译后修饰，通过E3泛素连接酶和去泛素化酶(DUBs)的协同作用调控纤毛相关蛋白的稳定性，然而USP家族成员USP21在纤毛发生中的作用尚未阐明。

山东师范大学的研究团队在《Journal of Genetics and Genomics》发表研究，通过构建Usp21基因敲除小鼠模型，结合免疫共沉淀、免疫荧光、GST pull-down等实验技术，系统研究了USP21在纤毛形成中的功能机制。研究发现USP21缺失导致小鼠肾脏、肝脏、气管等多器官纤毛形成缺陷，并通过其去泛素化活性与微管结合蛋白DPYSL2相互作用，去除DPYSL2的K48连接泛素化修饰，维持其在中心体的稳定性，从而促进纤毛发生。

关键技术方法包括：1) CRISPR/Cas9构建Usp21基因敲除小鼠模型；2) 免疫荧光技术分析纤毛形态和数量；3) 免疫共沉淀结合质谱鉴定USP21相互作用蛋白；4) 蛋白质稳定性实验分析DPYSL2半衰期；5) 体外泛素化实验确定USP21对DPYSL2的特异性去泛素化作用。

研究结果部分：
"USP21是多种器官纤毛发生所必需的"：通过构建Usp21 KO小鼠，发现肾脏、肝脏星状细胞、胆管上皮细胞等组织的纤毛数量显著减少，但纤毛长度不受影响。精子鞭毛和气管上皮运动纤毛也出现类似缺陷。

"USP21的纤毛功能依赖其去泛素化活性"：细胞实验证实USP21缺失导致纤毛形成障碍，且催化活性位点C221A突变体无法挽救这一表型，表明其功能依赖酶活性。

"USP21定位于中心体和基体"：免疫荧光显示USP21持续存在于纤毛发生过程中的中心体和基体，其定位需要中心体关联结构域(121-184 aa)和UCH结构域(213-565 aa)。

"USP21与DPYSL2在中心体相互作用并共定位"：质谱分析和免疫共沉淀证实USP21直接结合DPYSL2，共聚焦显微镜观察显示两者在中心体共定位。

"USP21去除DPYSL2的K48连接泛素化并使其稳定"：USP21通过特异性去除DPYSL2的K48连接泛素化修饰，阻止其被蛋白酶体降解，而K63连接泛素化不受影响。

"USP21通过调控DPYSL2的中心体富集控制纤毛发生"：血清饥饿条件下DPYSL2在中心体的积累增强，USP21缺失导致中心体DPYSL2显著减少，过表达DPYSL2可挽救USP21缺失引起的纤毛缺陷。

该研究首次揭示了USP21-DPYSL2调控轴在纤毛发生中的关键作用，阐明了USP21通过去泛素化DPYSL2维持其在中心体稳定性的分子机制。这不仅拓展了对DUBs在纤毛发生中功能的认识，也为理解纤毛病的发病机制提供了新视角。研究发现的USP21对DPYSL2 K48连接泛素化的特异性调控，为开发针对纤毛病的新型治疗策略提供了潜在靶点。值得注意的是，尽管Usp21 KO小鼠表现出多器官纤毛缺陷，但整体表型相对温和，提示可能存在代偿机制维持组织稳态，这为后续研究提出了新的科学问题。