集体细胞迁移过程中三种不同细胞极性的建立、维持与相互作用的分子机制

During single cell’s chemotactic migration, how guidance receptor on the cell the membrane converts and amplifies the extracellular concentration gradient into intracellular front-back polarity is a key yet unsolved cell and developmental question. As a group of cells undergo collective migration, the group not only has to establish front-back polarity but also needs to establish and maintain inherent apical-basal and outside-inside polarities in each cell. We will use an established in vivo collective migration model system, the border cell cluster, in the context of Drosophila oogenesis. We plan to address the following questions in our proposal. First, how guidance receptor establish front-back polarity through its regulation of asymmetric trafficking. Second, does apical molecules regulate actin polymerization and lamellipodial protrusion by signaling through Rac. Third, does the outside and inside localization of the phospholipid PIP2 and PIP3 determines the outside-inside polarity, which is regulated by PI3K and PTEN respectively. Fourth, how do the three distinct polarities interact with each other. We expect the results from this proposed study will shed new light and provide evidence to the cell polarity amplifying mechanism and the functional roles for these distinct polarities during chemotactic collective migration.

单个细胞在趋化迁移时，引导受体如何将胞外趋化因子的浓度差异转换或放大为细胞内的前-后端极性，这是细胞和发育生物学的一个关键但未解决的问题。当一群细胞进行集体迁移时，细胞群不仅要建立整体的前-后端极性，各个细胞内还需建立或维持内在的顶-基端和外-内侧极性。我们将利用一个体内集体细胞迁移系统-果蝇卵巢的边界细胞簇来研究以下几个方面: 引导受体是如何通过调控囊泡运输分子的极性分布来建立和维持前-后端极性的。顶端极性分子是否通过激活下游的Rac来调控前端actin聚合与片伪足的产生。磷脂PIP2和PIP3在外、内侧细胞膜的定位是否决定了外-内侧极性，并是否分别由上游的PI3K和PTEN来调控的。这三种不同的细胞极性是否相互作用。预计研究结果将为胞内极性信号放大机制和不同细胞极性在趋化性集体迁移中的功能提出新颖的思路。

细胞极性的建立和维持是细胞与发育生物学的一个重要研究领域。果蝇卵巢中的边界细胞簇（border cell cluster, 含8个细胞左右）在集体迁移过程中明显地表现出三种不同的细胞极性：细胞簇的前-后极性、顶-基极性和外-内侧极性。这三种极性是如何建立并互相影响的是一个很有意义的科学问题。我们发现三个细胞极性都是由边界细胞的原始顶-基极性(apical-basal)极性重塑所产生的。我们发现Crb复合物与Par复合物和内吞循环系统(endocytic recycling machinery)一起作用来导致Par复合物的核心激酶aPKC在边界细胞簇内呈现两个不同的分布模式：大部分aPKC分子被限制在内侧顶端连接处(inside apical junction)，而少部分aPKC分子分布在外侧侧端的细胞膜(outside lateral membrane)附近。有意思的是，在外侧侧端膜附近分布的aPKC能够与Tiam，一个Rac的GEF(Guanine exchange factor)进行遗传和物理的相互作用。并且Rac-FRET实验表明aPKC能够在边界细胞内促进Rac的活性提高。另一方面，Crb复合物的缺失导致aPKC在外侧侧端膜附近大量堆积，Rac活性大量上升，三个不同细胞极性同时破坏，片伪足无方向性随机伸出。所以，我们的工作证明aPKC是一个关键的极性分子，它参与协调边界细胞簇形成和迁移过程中三个不同细胞极性的建立和维持，并且它也是顶-基端极性重塑成三个不同细胞极性过程的关键分子。