EGFR质膜动态定位的功能和机制研究

Epidermal growth factor receptor (EGFR) is a type of receptor tyrosine kinase mainly localized on plasma membrane. Upon stimulation by its ligands, EGFR forms homodimer or heterodimer and activates downstream signaling and plays an important role in cell growth, proliferation and differentiation under physiological condition. Deregulated activation of EGFR and its downstream signaling contribute to epithelial tumor formation, e.g., lung cancer, as one of the most deadly diseases worldwide, has been proven to be strongly associated with EGFR oncogenic activation. Therefore, to study EGFR structure and activating mechanism is of great importance, not only from theoretical standpoint but also from therapeutic standpoint. However, most of current studies mainly focus on EGFR itself while neglecting the interaction of EGFR with plasma membrane. Here we propose to study EGFR strucutre and activating mechanism via the angle of the interaction of EGFR and membrane. We will take advantage of the super-resolution microscopy imaging system-stochastic optical reconstruction microscopy (STORM), with the combination of NMR, biochemical assay, functional study as well as clincal specimen analyses to uncover the dynamic distribution pattern of EGFR on plasma membrane of normal epithelial cell and lung tumor cell. Our study will hopefully uncover the novel mechanisms through identification of the exact EGFR protein domain and specific plasma membrane components involved in EGFR dynamic membrane distribution and EGFR activation.

表皮生长因子受体（EGFR）是一种定位在质膜上的受体酪氨酸激酶，在配体的刺激下会发生同源或异源二聚化从而激活下游信号通路，在细胞生长、增殖和分化等正常生理过程中发挥重要作用；EGFR异常激活往往会导致上皮细胞肿瘤的发生。肺癌作为全球范围内危害最大的疾病之一，其发生与EGFR异常激活密切相关。毫无疑问，研究EGFR 的结构和激活机制具有重要的理论意义和现实意义。目前这方面的研究主要集中在EGFR本身，而往往忽略了细胞质膜在EGFR激活中的重要功能。因此，我们拟从EGFR 与质膜相互作用的角度出发，利用目前国际上最先进的超分辨显微镜成像技术-随机光学重建显微镜技术(STORM)，并结合核磁共振实验、生化分析、细胞功能实验以及临床样本研究，揭示EGFR在正常细胞和肿瘤细胞质膜中的动态定位，鉴定参与EGFR动态定位的蛋白结构域和特定细胞质膜成份，阐明EGFR通过质膜动态定位参与其活性调控的新机制。

表皮生长因子受体（EGFR）是一种定位于细胞膜的受体酪氨酸激酶，其异常激活会导致多种上皮细胞来源肿瘤的发生；以EGFR为靶点所设计的抑制剂已广泛应用于肿瘤的临床治疗，但耐药性的出现却极大阻碍了药物的治疗效果。因此，从新角度出发探索和研究EGFR激活过程中的新机制，将有助于我们寻找靶向EGFR的新切入点。本项目通过运用直接随机光学重构显微成像技术（dSTORM），在单分子水平以接近20 nm的高分辨率观察活细胞质膜中EGFR的分布规律，发现EGFR在新鲜分离的人类肺癌细胞和正常肺上皮细胞表面均以聚集成大小不一的蛋白团簇形式分布，且相对正常细胞而言，肺癌细胞质膜中的蛋白簇在数量上更多，在大小上更大；结合光激活定位显微成像技术（PALM）对机制进行深入研究，我们发现质膜中的酸性磷脂PIP2参与介导了EGFR蛋白簇的形成；进一步研究发现EGFR富含正电荷氨基酸残基的近膜区（JM区）能够通过结合PIP2分子与质膜之间产生离子型蛋白-磷脂相互作用，而JM区突变后能明显抑制EGFR的质膜成簇。最后，我们发现通过水解PIP2或者突变JM区破坏EGFR质膜蛋白簇的形成在很大程度上抑制了EGFR自身及其下游信号通路的激活，并干扰了EGFR的生物学功能。综上所述，本项目首次在单分子水平揭示了EGFR蛋白在活细胞表面的分布规律，并从蛋白-磷脂相互作用的新角度出发阐明了酸性磷脂PIP2和JM区碱性肽段在EGFR成簇和信号激活过程中的重要性，揭示了EGFR异常激活的新机制，并为解决耐药提供了新契机。