调控细胞分裂面位置的胞质分裂关键信号通路的传导机制研究

Cytokinesis is the last step of cell cycle, which physically separates a cell into two. Central spindle microtubules rearrange during cytokinesis, which derive the signals to place the actomyosin contractile ring at the midzone to ensure the genetic materials are evenly participated into daughter cells. The key signaling pathway that regulates the placement of the contractile ring consists of the centralspindlin complex, Ect2 and RhoA. The centralspindlin complex has a kinesin subunit, walks to and accumulates at the interdigited central spindle microtubules, which in turn promotes formation of the central spindle. The centralspindlin complex recruits a guanine-nucleotide exchange factor (GEF) Ect2, which activate small GTPase RhoA, a master signaling molecule that is critical for the assembly, anchorage and contraction of the contractile ring at the cleavage furrow. How the centralspindlin complex walks along and bundles central spindle microtubule remain elusive. How the centralspindlin complex recruits and activates Ect2, and how Ect2 selectively activates RhoA are unknown. In this proposal, we are planning to use various tools in biophysics and cell biology to study this key signaling pathway (microtubule-centralspindlin-Ect2-RhoA) of cytokinesis, and to provide physical insights into the molecular mechanism in regulation of the placement of the division plane in mitosis of somatic cells.

胞质分裂是细胞周期的最后一步，它把一个细胞一分为二。胞质分裂期间，中央纺锤体发出信号使收缩环在细胞中部形成，确保遗传物质被平均分配。调控收缩环位置的信号由三个关键蛋白质组成： centralspindlin, Ect2 和 RhoA。Centralspindlin 是一个蛋白质复合物，包含一个微管驱动蛋白亚基，对中央纺锤体的形成起关键作用。Centralspindlin 把Ect2招募到细胞中央，Ect2激活下游的信号分子RhoA。RhoA作用于一系列效应蛋白，使收缩环在细胞皮层下组装和收缩。然而，centralspindlin如何使微管聚集成束,形成中央纺锤体的机理并不清楚。Centralspindlin 招募 Ect2，Ect2激活RhoA的机理也不知道。在这个项目中，我们将用多种生物物理和细胞生物学手段研究胞质分裂的这一关键信号通路，以期揭示有丝分裂时选定分裂面位置的分子机理。

本课题是利用生物物理和细胞生物学手段，研究细胞胞质分裂中从中央纺锤体到收缩环的信号传递通路，阐明细胞在进行有丝分裂时如何把分裂面选定在赤道板的分子机理。.. 我们首先通过x-射线晶体学以及单分子成像技术（与生物物理研究所赵永芳合作），考察了胞质分裂关键蛋白马达Zen-4的结构，发现了驱动蛋白马达颈部链接区的一个新构象。进一步分析表明，马达蛋白双头结合微管，引起分子内张力 ，颈部链接区向后翻转，缓解分子内张力，从而阐明了马达蛋白能够稳定结合微管的力学基础。Zen-4颈部链接区氨基酸数目较多，这暗示Zen-4结合微管时，分子张力较少，从而使得Zen-4稳定结合微管，有助于中央纺锤体的形成。.. 然后，我们利用X-Ray晶体衍射技术, 解析了Ect2晶体结构，并结合体外生化以及细胞实验发现：Ect2的自抑制是三个自抑制元件共同作用的结果。我们发现GTP状态的RhoA可以激活Ect2。通过对Ect2表面保守氨基酸进行突变，我们发现RhoA(GTP)与N结合，改变了PH结构域的构象，使PH结构域解除对DH活性中心的抑制，促进了底物RhoA与DH结构域的结合。本研究揭示了Ect2通过PH、BRCT与S-loop自抑制的分子机理，并在生化及细胞层面进行了验证。Ect2受到其交换活性的产物GTP状态RhoA的调控这揭示了收缩环形成过程中的正反馈调节通路。我们的工作为Ect2的调节及其在正常细胞与疾病状态下的细胞内功能的研究提供了线索。.. 最后，我们解析了中央纺锤体因子分子骨架的晶体结构，阐明了中央纺锤体因子复合物的组装机理，以及中央纺锤体因子介导微管形成中央纺锤体的分子机理。我们发现中央纺锤体因子通过液-液相分离的机制聚集，并介导微管形成中央纺锤体。这个中央纺锤体因子的聚集机制是线虫胚胎细胞中央纺锤体形成，准确进行胞质分裂的关键。.这些知识将从埃到微米水平对胞质分裂发生的机制进行一个立体的解答。