维持神经前体细胞迁移方向稳定性的机制研究

Cell migration is involved many physiological and pathological processes. Random motility depends on the cellular intrinsic ability to form spontaneous membrane protrusions at various directions. Most cell migrations in vivo are directional, in which the cell morphology is polarized and motility is orientated towards the extracellular cues. Despite the profound importance of directional cell migration in live animals, little is known about how a steered migrating cell inhibits the spontaneous membrane protrusions outside the leading edge. Here we address the problem using the C. elegans Q neuroblasts which undergo directional migrations along the anteroposterior (A/P) body axis. Our preliminary results have shown that null mutations of Hippo kinases disrupted the persistent direction of Q cell migration and caused the abnormal polarization of Q cells towards the dorsal-ventral body axis. Our biochemical analysis uncovered that the C. elegans Hippo kinases directly phosphorylate a small GTPas MIG-2/RhoG, altering its activity in the assembly of the actin cytoskeleton in migrating cells. We will combine the CRISPR-Cas9-based genome editing technique, live cell imaging and biochemistry to understand the function of Hippo-MIG-2 signaling axis in directional cell migration. We also prepare to identify other key modulators that stabilize migration direction and reveal the underlying molecular and cellular regulatory mechanisms. We expect that our results will provide novel insights into directional cell migration and migration-related diseases.

细胞迁移是生命活动的基本特征，参与多种生理和病理过程。细胞膜随机极化的内在性质是形成细胞迁移结构的基础，赋予细胞随机迁移的潜力；然而，在体内环境中，胞外信号引导细胞膜沿信号方向发生极化，促使细胞进行定向迁移。目前对于细胞在定向迁移中如何克服自发的膜动态，维持迁移方向稳定性的机制尚不清楚。在对线虫Q神经前体细胞发育的研究中，申请人发现Hippo激酶的缺失导致Q细胞不能沿线虫的前后体轴进行定向迁移，而发生异常的向背腹体轴方向的偏移。申请人的生化实验结果表明Hippo激酶通过磷酸化微丝骨架关键调控因子小G蛋白MIG-2/RhoG来维持迁移方向的稳定性。本课题拟以此为基础，结合CRISPR-Cas9基因编辑技术、活体荧光显微成像技术以及生化分析，鉴定维持细胞迁移方向稳定性的关键因子，揭示迁移极性稳定的调控机制，为理解细胞迁移以及相关疾病的预防治疗提供新线索。

定向细胞迁移在有机体发育过程中发挥重要作用，特别是神经细胞的精准定位对中枢神经系统正确行使功能至关重要。大量研究表明胞外信号定向极化细胞局部肌动蛋白聚合形成迁移伪足，然而领域对细胞如何防止非活化区次级前导端形成所导致得迁移方向错乱知之甚少。我们以秀丽隐杆线虫Q神经前体细胞的定向迁移为模型，利用基于CRISPR-Cas9的基因编辑技术鉴定出Hippo激酶的线虫同源物可以抑制Q细胞沿背腹体轴（DV 轴）方向的极化从而维持其沿前后体轴（AP 轴）的定向迁移。同时，线虫MIG-2/RhoG的功能获得性突变体也造成迁移细胞异位DV轴极化。结合内源蛋白质谱分析技术以及体外生化实验分析，我们鉴定出 MIG-2的第 139位丝氨酸残基（MIG-2S139）是功能保守的 Hippo 激酶磷酸化位点。利用基于CRISPR-Cas9基因编辑技术我们构建了MIG-2S139A/E的定点突变体；长时程时序性活体荧光显微成像分析表明，MIG-2S139位磷酸化修饰减弱了迁移细胞中肌动蛋白的组装。有趣的是，野生型迁移细胞中 Hippo 激酶被排除在前导端之外，而 MIG-2 蛋白的缺失会导致Hippo激酶在胞体中的均匀分布。以上结果表明，迁移细胞中Hippo激酶可以在前导端外区域抑制 MIG-2/RhoG的活性及次生前导端形成，反过来前导端通过MIG-2/RhoG活性将Hippo 激酶控制在非活性区。因此，我们认为 Hippo-RhoG 反馈调节环路在 Q 细胞定向细胞迁移过程中维持其细胞极性与迁移方向的稳定。上述科学发现发表在EMBO J杂志，可能为深入理解Hippo潜在功能以及探索制定细胞迁移相关疾病的预防和治疗方案提供线索。