PH结构域蛋白在迁移细胞中的膜定位机制与功能研究

Cell migration plays an important role in many biological processes and contribute to pathological conditions including inflammation and cancer metastasis. Migrating cells often adopt a polarized state with morphologically and functionally distinct leading and trailing edges. The establishment of cell polarity relies on signal transduction and the selective distribution of signaling molecules. It was generally believed that this process is initiated by external stimuli and requires the cell’s cytoskeletal structure, however our recent studies challenge this traditional model by suggesting that the composition and property of the plasma membrane may be the ultimately determinant of signaling polarity. Using Dictyostelium as a model system, through a systematic screen of PH domain-containing proteins, we have discovered a series of plasma membrane-bound proteins that are spatially restricted to either end of the cell. Further characterization of the molecular basis for their localization and their cellular function will likely uncover conserved mechanism underlying polarity establishment and cell migration.

细胞迁移参与包括器官形成、神经元布线、损伤修复等多种生命活动，又与炎症和癌症等疾病的发生密切相关。迁移细胞具有结构和功能明显区别的前后导端，这种极性的形成依赖信号转导通路的激活和胞内信号梯度的建立，是细胞定向运动的重要步骤，但调控机制尚未完全阐明。我们发现胞内信号梯度建立的经典模式中起决定作用的元素，包括环境信号和细胞骨架，并非不可或缺，以此推测细胞质膜的组成或性质的改变可能是信号分子选择性定位的根本原因。我们以可通过膜脂或膜蛋白互作而定位在细胞不同区域的PH结构域蛋白家族为研究对象，在迁移的经典模型Dictyostelium细胞中开展了对极性定位信号蛋白的系统筛选。前期己鉴定得到一系列在细胞前、后端选择性定位的蛋白分子。本项目将在此基础上，对极性定位PH结构域蛋白的定位机制及细胞功能进行深入探索，以期揭示信号蛋白选择性定位的分子机制，进一步阐明极性建成与定向迁移的调控原理。

细胞极性是指细胞形态、结构或功能在空间上的方向性和不对称性，是极性相关信号蛋白及其调控的分子过程在细胞特定区域选择性分布或激活的结果。细胞在形成特殊形态或执行特殊功能时，都需要建立相应的极性化状态，因此细胞极性参与定向运动、营养摄取、信号转导等众多生物学过程，进而调控胚胎发育、损伤修复、感染免疫等重要生理活动。不同信号分子究竟如何实现在细胞特定区域的选择性富集，极性信号分子如何与细胞骨架协同作用从而实现各异的细胞功能等问题的解答，将帮助我们从根本上阐明细胞动态极性的建立过程和执行功能的分子机制，也将为相关疾病的诊断和治疗提供新的靶点和理论指导。在本项目的研究中，我们以PH结构域蛋白家族为研究对象，在经典模型Dictyostelium细胞中开展了系统筛选，鉴定获得了一系列新的极性定位的PH结构域蛋白。通过对在细胞前端特异定位的Leep1蛋白的研究，发现了微丝骨架成核促进因子Scar/WAVE复合体新的负调控因子，解析了磷脂酰肌醇PIP3信号和Scar/WAVE复合体通过Leep1协同作用，调控细胞前端伪足和巨胞饮结构形态建成的分子机理。通过对在细胞后端特异定位的Teep1和Teep2蛋白的研究，阐明了质膜上PI(3,5)P2和PI(4,5)P2信号梯度的建立及其促进后端蛋白极性定位的机制，并揭示了后端信号蛋白通过促进分支状微丝在细胞皮层的组装，从而帮助细胞应对机械压力等特殊环境因素的分子机制。这些工作为进一步阐明细胞迁移和巨胞饮等动态过程中极性建立和维持的分子机理奠定了重要的基础，也为在其他细胞或生命过程中系统筛选极性调控元件提供了新的思路。