復旦溫文玉組揭示蛋白相變調控細胞命運決定因子定位的分子機制

細胞極性是大部分細胞都具有的基本性質，影響到細胞生理活動的各個方面，包括細胞生長、分裂、分化及運動等。細胞極性的破壞會改變細胞的信號傳導過程以及組織結構，並促進腫瘤的形成及轉移。儘管細胞的形態與功能各不相同，細胞極性建立的共性，是一些極性蛋白複合物被特異地招募到指定膜區域，並發生顯著的局部聚集【1-4】。這些極性蛋白質（如PAR-3/PAR-6/aPKC，Frizzled/Dishevelled/Diego複合物等）通過相互作用自發形成高度濃縮的塊狀或點狀聚集體結構，附著於細胞質膜內表面，並可響應細胞信號發生去組裝。然而這些蛋白複合物極性聚集進而建立細胞極性的分子機制尚不清楚。

2月21日，復旦大學生物醫學研究院/華山醫院神經外科溫文玉課題組與新加坡國立大學淡馬錫生命科學研究院Yu Cai（蔡毓）課題組合作在Nature Communications雜誌在線發表了題為「Basal condensation of Numb and Pon complex via phase transition during Drosophila neuroblast asymmetric division」的科研論文，該論文報道了果蠅神經幹細胞不對稱分裂時，細胞命運決定因子Numb和連接蛋白Pon之間的特異性多位點結合導致Numb/Pon複合體發生液-液相變（liquid-liquid phase transition, LLPT）分離。該相變反應介導了Numb在神經幹細胞底端皮層的極性富集進而調控了神經幹細胞的分化。

在果蠅神經幹細胞（neuroblast，NB）發生不對稱分裂時，特定的蛋白質極性分布在細胞兩端：保守的PAR蛋白複合物(PAR-3/PAR-6/aPKC)/CDC42，Inscuteable，Pins和Gαi定位在頂端皮層（apical cortex）；命運決定因子Numb，Prospero，Brat和Staufen，以及銜接蛋白Pon和Miranda定位在底端皮層（basal cortex）。NB不對稱分裂時，以Pins為核心的紡錘體轉向力系統調控紡錘體沿著細胞頂-底極性軸定向，使細胞命運決定因子不對稱分離到底部子細胞中，並促使其分化產生神經細胞。

一個有趣的現象是，頂端和底端皮層定位的蛋白複合物僅僅在細胞兩極很小的區域形成新月狀聚集體，而不是均勻分布在整個頂部或底部半皮層。新月聚集體僅發生在分裂期，分裂結束這些蛋白又均勻分布至整個質膜或胞質中。更有意思的是，新月聚集體中高度濃縮的蛋白並不是穩定地錨定在皮層上，而是與細胞質中的蛋白存在著快速的動態交換。這些蛋白複合物的動態分布特性對於細胞不對稱分裂可能是至關重要的，使之能夠快速應答細胞周期信號。但一些基本問題仍然有待回答，比如，這些高度聚集的極性蛋白複合體如何在特定的膜區域自發形成？新月體與胞質中這些極性蛋白複合體的高度濃度差是如何維持的？

這項研究發現，在NB不對稱分裂時，命運決定因子Numb PTB結構域上兩個獨特的蛋白表面以一種非典型的模式特異性識別Pon中的重複模序，這種多位點結合模式誘導該複合物發生液-液相變分離，在體外和細胞中能夠自發組裝形成緻密的無膜液相結構。而這種相變液滴可以被Numb PTB的競爭多肽破壞並去組裝。在這些分相的液滴中，Numb/Pon複合物是高度濃縮的，但同時又與周圍溶液中低濃度的Numb/Pon蛋白存在快速的動態交換，這一現象與在體數據高度吻合。研究人員進一步證明Pon作用於Numb-Notch信號通路上游以促進NB的分化，而對Numb/Pon複合物相變過程的干擾將破壞果蠅神經幹細胞不對稱分裂時Numb的底部定位過程，並影響其不對稱分離和對Notch信號通路的抑制，最終形成腫瘤樣NB增生（下圖）。

近年的研究表明生物大分子（蛋白質、核酸）的相變在生命活動中發揮著至關重要的作用。無膜細胞器如核仁、有絲分裂紡錘體、中心體、各種細胞體和RNA顆粒（如應激顆粒），以及一些質膜下的信號傳導複合體（如神經突觸後密集區PSD和T細胞信號傳導通路等）的形成都是由特定組分的相變過程驅動的，多種人類疾病如神經退行性疾病也與生物大分子的相變密切相關【5-7】。鑒於極性蛋白複合物（如PAR-3/PAR-6/aPKC，Frizzled/Dishevelled/Diego複合物等）在特定膜區域的聚集與Numb/Pon新月聚集體形成的情況非常類似，相變有可能廣泛地應用於細胞極化過程，即這種蛋白相互作用引起的相變可能是調控極性蛋白複合物在特定膜區域異位濃縮的一個普遍機制。這將有助於構建高級、複雜的蛋白質作用網路，進而高效、特異地調控信號傳導通路。

據悉，復旦大學博士生山澤林和塗雨婷，以及新加坡國立大學Ying Yang為論文共同第一作者，溫文玉研究員和Yu Cai教授為論文的共同通訊作者。該研究還得到了香港科技大學張明傑教授，南開大學龍加福教授等的大力支持。

溫文玉課題組長期致力於研究神經早期發育及神經信號轉導過程中重要調控蛋白質的結構與功能，以及其與神經系統疾病（如腦腫瘤）的關聯性。近期比較系統地研究了神經幹細胞不對稱分裂過程的分子機制（Mol Cell, 2010；Mol Cell, 2011；EMBO J, 2011；J Mol Biol, 2013；Nat Commun, 2015；Structure, 2016；EMBO Rep, 2017；J Biol Chem, 2018；Nat Commun, 2018）：提供了紡錘體轉向力產生系統的組裝機制，發現Insc與Mud競爭結合Pins，從而提出調控細胞極性建立的PAR/Insc/Pins通路與調控紡錘體轉向的Gαi/Pins/Mud通路為相對獨立並順序發生的過程，更新了我們對幹細胞不對稱分裂過程的認識；發現驅動紡錘體轉向的DLG/Pins複合體的組裝受激酶aPKC的磷酸化調控，進而發現GK結構域演化為一個全新的磷酸化蛋白結合模塊，為揭示神經突觸後密集層中眾多MAGUK家族蛋白GK結構域的生物學功能提供了有力線索，也為突觸的可塑性提供了新的機理；闡述了介導蛋白極性分布的膜融合SNARE蛋白Ykt6胞內定位及活性調控的分子機理，發現Ykt6的棕櫚醯化修飾除了使其錨定在質膜上，還能調控其SNARE活性；揭示了銜接蛋白Miranda識別並調控細胞命運決定因子Staufen、Brat等極性分布的分子機制；揭示了在細胞周期激酶Cdk1、Polo調控下，命運決定因子Numb隨其銜接蛋白Pon在底部皮層異位聚集的分子機制；闡明了神經發育過程中，調控神經元遷移的E3泛素連接酶Itch自抑制及激活的分子機理。

參考文獻：

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7.Shin, Y. & Brangwynne, C.P. Liquid phase condensation in cell physiology and disease.Science357(2017).

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