血影蛋白参与成肌细胞融合的机制

Cell-cell fusion is an essential process that occurs in fertilization, immune response, bone resorption, placenta formation, and skeletal muscle development and regeneration, but the molecular mechanisms that regulate this process are not fully understood. We are using myoblast fusion as a model system to study the general mechanisms underlying cell-cell fusion. It has been demonstrated in a variety of cell fusion events from Drosophila to mammals is an asymmetric process in which an “attacking” fusion partner invades the “receiving” fusion partner with actin-propelled membrane protrusions, whereas the receiving fusion partner mounts a Myosin II-mediated mechanosensory response at the fusogenic synapse. The pair of pushing and resisting forces from the two fusion partners bring the two cell membranes to close proximity and put the fusogenic synapse under high mechanical tension to promote cell membrane merger. Although genetic and cell biological analyses demonstrate that long and sharp protrusions from the attacking fusion partner are required for cell-cell fusion, it remains a puzzle how these protrusions are spatially constricted and shaped in order to provide high mechanical tension at the fusogenic synapse. We have recently identified a membrane skeleton protein, Spectrin, is required for myoblast fusion. Surprisingly, Spectrin exhibited a mechanosensitive accumulation at the fusogenic synapse, which we believe could be a key to understand the puzzle described above. In this proposal, we will study the molecular mechanisms of Spectrin in myoblast fusion combining genetic engineering, cell and molecular biology, and biophysical techniques.

细胞融合是受精，免疫，骨吸收，胎盘形成和骨骼肌发育再生等生理过程的关键步骤，但其机理还不完全清楚。本项目以成肌细胞融合为模型来研究细胞融合过程的分子机制。从果绳到哺乳动物的研究发现成肌细胞融合是一个非对称性过程，即两个融合伴侣中的进攻方利用肌动蛋白形成的突起驱动细胞膜向被进攻方靠拢，而被进攻方则利用II型肌球蛋白介导的收缩力做出反应。这一对推力和抵抗力推动融合伴侣的细胞膜尽可能接近，并产生高度张力以促进质膜融合。虽然进攻方形成长而尖的突起是成肌细胞融合所必需的，但这些突起在空间上是如何形成和被限制仍是一个迷。我们初步研究发现细胞质膜结构蛋白-血影蛋白(Spectrin)可能是上述迷团中的关键分子，而Spectrin在成肌细胞融合过程中表现出的机械力感应特性有可能是解答上述迷团的关键。本研究将综合利用遗传，细胞与分子生物，生物物理等相关技术来研究Spectrin参与成肌细胞融合的分子机制。

细胞融合是受精，免疫，骨吸收，胎盘形成和骨骼肌发育再生等生理过程的关键步骤，但其机理还不完全清楚。本项目以成肌细胞融合为模型来研究细胞融合过程的分子机制。从果绳到哺乳动物的研究发现成肌细胞融合是一个非对称性过程，即两个融合伴侣中的进攻方利用肌动蛋白形成的突起驱动细胞膜向被进攻方靠拢，而被进攻方则利用II型肌球蛋白介导的收缩力做出反应。这一对推力和抵抗力推动融合伴侣的细胞膜尽可能接近，并产生高度张力以促进质膜融合。虽然进攻方形成长而尖的突起是成肌细胞融合所必需的，但这些突起在空间上是如何形成和被限制仍是一个迷。血影蛋白在传统的认知中是一种维持细胞形态和保护细胞免受外力损伤的膜骨架蛋白。在本研究中，我们发现其在果绳骨骼肌细胞融合过程中呈现出机械力敏感效应。具体来讲，在进攻方入侵被进攻方时，血影蛋白动态地聚集在被进攻方的融合突触处。我们利用遗传学、细胞生物学、生物物理学以及数学建模等多种方法与技术，解释了这一动态聚集过程的机制。我们在实验中首次呈现出血影蛋白对剪切形变敏感，而这种形变在细胞融合突触处特别明显，因此血影蛋白可以高度聚集在这些部位。同时，这种动态聚集形成的网状结构一方面作为分子栅栏限制了膜上粘附分子的移动，在另一方面又作为分子筛形成了入侵突起的底部结构，增大了突触的张力，以利于细胞膜的融合。我们的研究在国际上首次发现血影蛋白是一个机械力敏感蛋白，这对于理解其在细胞动态过程中的作用有更普遍的意义。此外，本项目的研究成果进一步促进了我们对细胞融合这一基础生命现象的细胞生理学机制的理解。项目属于基础理论研究，其成果对丰富发育生物学，生理学及病理学的相关基础理论，同时也对临床干预与细胞融合有关的疾病有相应的理论指导价值。