Hedgehog (Hh) proteins comprise a family of secreted signaling molecules essential for patterning a variety of structures in animal embryogenesis. During biosynthesis, Hh undergoes an autocleavage reaction, mediated by its carboxyl-terminal domain, that produces a lipid-modified amino-terminal fragment responsible for all known Hh signaling activity. Here it is reported that cholesterol is the lipophilic moiety covalently attached to the amino-terminal signaling domain during autoprocessing and that the carboxyl-terminal domain acts as an intramolecular cholesterol transferase. This use of cholesterol to modify embryonic signaling proteins may account for some of the effects of perturbed cholesterol biosynthesis on animal development.

Smoothened (Smo), a distant relative of G protein-coupled receptors, mediates Hedgehog (Hh) signaling during embryonic development and can initiate or transmit ligand-independent pathway activation in tumorigenesis. Although the cellular mechanisms that regulate Smo function remain unclear, the direct inhibition of Smo by cyclopamine, a plant-derived steroidal alkaloid, suggests that endogenous small molecules may be involved. Here we demonstrate that SAG, a chlorobenzothiophene-containing Hh pathway agonist, binds to the Smo heptahelical bundle in a manner that antagonizes cyclopamine action. In addition, we have identified four small molecules that directly inhibit Smo activity but are structurally distinct from cyclopamine. Functional and biochemical studies of these compounds provide evidence for the small molecule modulation of Smo through multiple mechanisms and yield insights into the physiological regulation of Smo activity. The mechanistic differences between the Smo antagonists may be useful in the therapeutic manipulation of Hh signaling.

Veratrum alkaloids and distal inhibitors of cholesterol biosynthesis have been studied for more than 30 years as potent teratogens capable of inducing cyclopia and other birth defects. Here, it is shown that these compounds specifically block the Sonic hedgehog (Shh) signaling pathway. These teratogens did not prevent the sterol modification of Shh during autoprocessing but rather inhibited the response of target tissues to Shh, possibly acting through the sterol sensing domain within the Patched protein regulator of Shh response.

Autocatalytic processing mediated by the carboxy-terminal domain of the hedgehog (hh) protein precursor (Hh) generates an amino-terminal product that accounts for all known signaling activity. The role of autoprocessing in biogenesis of the hh signal has been unclear, since a truncated unprocessed protein lacking all carboxy-terminal domain sequences retains signaling activity. Here, we present evidence that the autoprocessing reaction proceeds via an internal thioester intermediate and results in a covalent modification that increases the hydrophobic character of the signaling domain and influences its spatial and subcellular distribution. We demonstrate that truncated unprocessed amino-terminal protein causes embryonic mispatterning, even when expression is localized to cells that normally express Hh, thus suggesting a role for autoprocessing in spatial regulation of hh signaling. This type of processing also appears to operate in the biogenesis of other novel secreted proteins.