平面细胞极性核心蛋白Vangl2翻译后修饰参与Wnt/PCP信号传导的机制研究

In the development of complex multicellular organisms, the formation of organs and tissues not only requires coordinated cell proliferation, differentiation and survival, but also cell polarity. Planar Cell Polarity (PCP) is a fundamental developmental process that conveys directional information for coordinated, uniformly polarized cellular behaviors in a field of cells. The uniform directionality of PCP is thought to be established by global cues such as Wnt morphogen gradients that induce a non-canonical Wnt/PCP signaling pathway. However, the underlying mechanism of signal transduction remains largely unknown. In this project, we propose to use a combination of genetic, biochemical and cell biological approaches to investigate the role of post-translational modification of Vangl2 in Wnt/PCP signaling pathway. Our previous studies found that Wnt-induced Vangl2 phosphorylation is critical for the establishment of PCP. In this project, we aim to elucidate the role of Vangl2 ubiquitination and its cross-talk with phosphorylation in transducing Wnt/PCP signaling. The successful completion of this research project will provide significant mechanistic insights into our understanding of PCP establishment and Wnt/PCP signal transduction.

多细胞生物的发育是一个复杂而高度程序化的过程，取决于细胞增值、分化、死亡、极性等多种行为的协同调控，而平面细胞极性(简称PCP)是发育过程中调控整体细胞极性、为组织器官形态发生提供方向性信息的关键机制。Wnt形态发生素被认为是建立PCP的关键信号，形成所谓的非经典Wnt/PCP信号通路，然而其信号传导机制未知、建立平面细胞极性的机理尚不清楚。本项目拟利用分子、生化、细胞和遗传学等手段，体外和体内实验相结合的方法，探索PCP核心蛋白Vangl2翻译后修饰参与Wnt/PCP信号传导的作用机制。我们的前期研究发现Wnt诱导的Vangl2磷酸化是平面细胞极性形成的关键步骤。在此基础上，我们将聚焦于Vangl2泛素化的调控机制及其与磷酸化的交互作用，揭示其调控Vangl2蛋白活性的重要功能。该研究有助于阐明Wnt/PCP信号通路的传导机制，对于揭示平面细胞极性建立的原理具有重要意义。

Wnt/PCP信号是控制平面细胞极性的关键机制，在组织器官形态发生和生理过程中起到了重要的作用，然而其信号传导和调控的分子机理尚未明确。Vangl1和 Vangl2 是该信号通路的两个核心蛋白，其突变和过度激活会分别导致出生缺陷和促进肿瘤发生。在本项目中，我们发现CUL3-KBTBD7泛素连接酶能够促进Vangl蛋白泛素化，从而通过内质网相关蛋白降解途径（ERAD）降解Vangl蛋白。ERAD是一种保守的蛋白质控机制，需要一系列关键分子参与，如介导底物释放的关键分子p97/VCP。我们意外发现Vangl蛋白具有高度保守的p97/VCP结合域，可以直接被p97/VCP结合。结合Vangl蛋白的p97/VCP通过其衔接蛋白将KBTBD7招募至内质网，导致了Vangl的高度泛素化。另外一方面，我们发现Wnt诱导的Vangl磷酸化可以促进Vangl蛋白从内质网到细胞膜的转运，保护Vangl蛋白不被KBTBD7泛素化和降解，而磷酸化突变型的Vangl则会被高度泛素化和快速降解，阐明了Wnt信号调控PCP核心蛋白的重要机制。最后我们利用斑马鱼动物模型鉴定了KBTBD7对Wnt/PCP信号通路的调控作用，并在小鼠模型中发现其可以通过降解Vangl蛋白抑制乳腺癌细胞的肺转移，肿瘤数据分析也发现KBTBD7的表达水平同乳腺癌的发展相关，这些实验进一步阐明了该调控机制的生理学和病理学意义。此项研究从分子水平上揭示了一个泛素化和ERAD途径介导的Wnt/PCP信号通路的新颖调控机制。