耶魯吳殿青組發現中性粒細胞極化新機制

責編丨兮

細胞遷移是胚胎髮育、傷口癒合、腫瘤轉移等生命活動中的重要細胞學行為，特別在白細胞（Leukocyte）的募集（Recruitment）、轉運（Trafficking）、歸巢（Homing）等生物學事件中扮演著重要角色【1,2】。 細胞通過空間性重組其信號和結構分子的方式建立細胞極性（Cellular Polarity），細胞極化（Polarization）是細胞發生遷移性行為的前提條件,同時也決定了細胞遷移的方向【3】。

當機體局部組織出現損傷時，組織中巨噬細胞、樹突狀細胞等細胞會被激活而分泌細胞趨化因子（Chemokine），此外，局部組織處的血管內皮細胞也會被激活，一方面在其表面增加粘附分子（如選擇素和細胞間黏附分子-1：ICAM-1）的表達，將中性粒細胞（白細胞之一）從快速流動的血液循環中抓住，使得中性粒細胞在炎性血管內表面上發生滾動；另一方面，激活的血管內皮細胞能將細胞趨化因子轉運並遞呈到血管腔表面並形成一定濃度梯度， 細胞趨化因子通過與中性粒細胞表面的G蛋白偶聯受體(GPCRs)發生作用，發揮雙重功能：（1）活化中性粒細胞的整合素信號，介導中性粒細胞與血管內皮形成牢固粘附（Firm Adhesion）；（2）誘導了細胞極化的發生，為中性粒細胞在血管表面的爬行和穿過血管進入組織提供了前提條件。

細胞趨化因子一方面誘導下游的小GTP酶RAC在細胞前端的活化，從而促進層狀（Lamellar）的F-肌動蛋白(F-actin)在細胞前端的形成，這為中性粒細胞遷移提供動力；另一方面，細胞趨化因子信號通路也介導了小GTP酶蛋白RHOA在細胞尾端的活化。後者進一步促進了肌球蛋白輕鏈的磷酸化（Myosin light chain phosphorylation，pMLC），促進了肌動球蛋白（actomyosin）細胞骨架在細胞後端的形成，這位於細胞尾端的肌動球蛋白不僅為細胞移動提供推力，對於中性粒細胞在血管表面形成牢固粘附也非常重要【4,5】。

除了細胞趨化因子，是否還有其他的信號分子調控了中性粒細胞跨血管遷移過程中的細胞極化， 以及這些新的通路與細胞趨化因子介導的極化通路之間又有怎樣的關聯？這是一個非常重要的研究方向。耶魯大學藥學系吳殿青教授實驗室多年來一直圍繞這一問題展開研究，其早期研究發現，整合素（Integrin）信號能通過誘導中性粒細胞中PIP5K1C90 (4-磷酸-磷脂醯肌醇-5-激酶)分子的極化，並且這一極化事件不依賴於細胞趨化因子，它不僅調節RHOA分子在細胞尾部的活性和RHOA下游分子pMLC的極化以及中性粒細胞的粘附【6】。該整合素信號還決定了細胞最初極性的建立，後續發生的細胞趨化因子調控的細胞極性會遵循這一已有極性【6】。實驗室進一步研究發現，極化的囊泡運輸介導了PIP5K1C90的極化分布【7】。

3月28日，吳殿青教授實驗室在Developmental Cell雜誌上發表最新研究Leukocyte cytoskeleton polarization is initiated by plasma membrane curvature from cell attachment，作者們繼續尋找中性粒細胞最初極化建立的調控分子。

他們注意到，在所有關於化學信號（細胞趨化因子或整合素信號分子）調控中性粒細胞極性的研究中，細胞都是在已經貼附到平面上（如蓋玻片）的情況下接受化學信號的刺激，那細胞貼附（Cell Attachment）本身對於細胞的極化是否有調控作用？

研究發現，化學信號的刺激並不是引起中性粒細胞細胞骨架極化的充要條件，他們發現細胞貼附引起的形變誘導了細胞最初極性的建立。具體地，當中性粒細胞附著到平面時，接觸處的細胞質膜的彎曲度（Curvature）會增加,進而招募含F-BAR結構域的SRGAP2蛋白，引起了SRGAP2蛋白及下游質膜脂質分子磷脂醯肌醇-4-一磷酸(PtdIns4P)的極化分布，從而打破了細胞的對稱性。細胞彎曲度的變化誘導的上述極化事件與細胞趨化因子信號協同誘導了細胞骨架蛋白的極化。該研究揭示了細胞骨架蛋白極化起始的新調控機制。

首先，作者對於處於貼附和懸浮狀態的中性粒細胞用細胞趨化因子（CXCL2）進行刺激，發現貼附的中性粒細胞能在前端或後端分別形成極化的F-actin 和pMLC,而處於懸浮的中性粒細胞卻不能發生極化，這說明細胞貼附是細胞趨化因子誘導細胞極化所必需的。

作者提出假說，細胞貼附改變了細胞質膜的彎曲度，後者可能調節了細胞極化。BAR蛋白是一類含有BAR結構域的蛋白，兩個BAR蛋白的BAR結構域可以形成二聚體，形成「香蕉樣」的物理結構，去感應識別以及誘導不同彎曲度的細胞膜結構，該類蛋白廣泛參與調控細胞內吞（Endocytosis）以及細胞突出（包括Filipodium, Lamellipodium）形成等細胞事件，BAR結構域蛋白超家族含60多個成員分子【8-10】。作者對中性粒細胞中表達的BAR分子進行siRNA功能篩選發現，BAR蛋白c成員分子SRGAP2調控pMLC的極化。SRGAP2敲除的中性粒細胞中pMLC極化異常。作者利用小鼠睾丸肌血管活體成像和小鼠心臟缺血再灌注模型發現缺失Srgap2的中性粒細胞在血管表面的粘附減少，在組織內的浸潤降低。

作者進一步研究發現，SRGAP2蛋白的FBAR結構域在貼附的中性粒細胞中發生極化，並在液流剪切力的作用下極化到細胞的後端（相對於液流方向），並且這種極化在整合素信號和細胞趨化因子被阻止的情況下也能發生。作者還在斑馬魚急性損傷模型中觀察到SRGAP2蛋白的FBAR結構域在貼附的中性粒細胞的尾端發生極化。為了測試SRGAP2蛋白的極化富集是否只決定於細胞彎曲度，作者對單個中性粒細胞採用了微管吸吮技術（Micropipette Aspiration），發現SRGAP2蛋白的FBAR結構域在吸出的細管部分發生富集而極化，並且在管子末端的富集更強，作者還改變了吸管的口徑以創造出不同的彎曲度，發現彎曲度與SRGAP2蛋白的FBAR結構域極化程度呈正相關，這證實確實是細胞質膜彎曲度誘導了SRGAP2蛋白的極化。

作者進一步探明了中性粒細胞貼附引起細胞後端pMLC極化的機制。即細胞貼附引起了局部細胞質膜彎曲度的增加，從而招募了BAR蛋白SRGAP2分子，誘導了SRGAP2分子的極化，SRGAP2激活了PI4KA激酶的酶活力，後者催化了質膜上PtdIns4P在SRGAP2極化位置的產生從而發生極化，極化的PtdIns4P通過結合RPH3A蛋白，從而介導了PIP5K1C90-Rab21囊泡的極性運輸，進而導致最終pMLC的極化。該研究表明細胞貼附本身就能誘導中性粒細胞一定形式的極化，可稱之為SRGAP2極化和PtdIns4P極化，且SRGAP2或PtdIns4P的極化不依賴於細胞趨化因子或整合素的刺激。

本研究解析了中粒細胞極性起始的重要信號通路，揭示了空間信號（細胞形狀改變）對於細胞骨架蛋白極化以及隨之細胞粘附、細胞募集浸潤的重要調控作用，使我們對於炎症環境下白細胞的募集的相關分子機制有新的認識，並對炎症性疾病（腫瘤或自身免疫性疾病）有重要參考價值。最後，本研究闡明了細胞貼附對pMLC極化的信號調控通路，但細胞貼附對於F-actin極化的機制還不得而知，有待下一步研究。

據悉，本文共同第一作者為任春光博士和袁倩穎博士，共同通訊作者為Erdem Karatekin教授、湯文文研究員、吳殿青教授。

原文鏈接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30146-7

製版人：子陽

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