PLK1-ACAP4-Ezrin信号轴调控细胞极性形成与维系的分子机制研究

Polarity, asymmetry, is a unique characteristic of epithelial cells. Mounting evidence suggests that mitotic kinases such as PLK1 govern cellular polarity establishment of daughter cells via specifying the spindle orientation. However, it has remained elusive as to the underlying mechanisms and protein circuitry. Using a combination of mass spectrometric identification and biochemical characterization, we have established the interrelationship between PLK1 and ezrin-ACAP4. In addition, we have pinpointed PLK1-mediated phosphorylation sites on ACAP4 and ezrin. Based on our preliminary work, we hypothesize that PLK1 orchestrates an accurate spindle orientation via regulating a dynamic interactions between actin cortex and microtubule plus-ends via ACAP4-ezrin complex. We plan to evaluate the role of ACAP4 phosphorylation by assessing ACAP4-ARF6 interaction. The functional regulation of phosphorylation of ezrin will be examined by actin co-sedimentation and pyrine assay. The roles of ACAP4-Ezrin complex in mitotic exit, cell polarity establishment and maintenance will be examined. A better understanding of mitotic exit and polarity establishment is of general importance as aberrant mitotic exit and cellular polarity would contribute to pathogeneses of diseases.

细胞极性（即不对称性）是上皮细胞功能的重要特征之一。细胞有丝分裂重要蛋白激酶（如：PLK1）通过调控纺锤体的取向来决定子细胞的极性形成。但是，人们对PLK1激酶通过调控纺锤体的取向与细胞极性形成的分子机制及所涉及的蛋白质网络知之甚少。利用功能蛋白质组学技术与生化鉴定，我们发现并初步解析了PLK1与细胞极性调控蛋白Ezrin及ACAP4的作用机制。我们设想：PLK1通过磷酸化ACAP4与Ezrin，调控细胞有丝分裂期纺锤体的正确取向与子细胞极性的形成。我们拟详尽评估PLK1磷酸化ACAP4及Ezrin的生物化学功能，解析PLK1调控ACAP4-Ezrin复合体在细胞极性形成过程中的动态组装规律，为全面认识有丝分裂退出、上皮细胞极性形成与维系的分子机制奠定基础，并为揭示细胞有丝分裂差错与细胞极性丧失介导的相关病理机制提供启迪。

正常人体含有200多种细胞谱系，其中大部分是极化上皮细胞，他们构成宿主与病毒之间的天然屏障。但是我们对细胞极性的建立与维系机制知之甚少。按照计划书的研究内容及目标，我们建立了三维类器官研究体系(Yao & Smolka, 2019. Gastro)，解析了PLK1-ACAP4-Ezrin信号轴磷酸化活性动态调控机制，揭示了乙酰转移酶 TIP60 通过乙酰化蛋白激酶 Aurora B 达到维系其高活性的分子机理（Mo, 2016. Nature Chem Biol），阐明了 TIP60 与 Aurora B 信号互作对纺锤体可塑性的调控机制，解析了细胞极化信号轴MST4-ACAP4-Ezrin磷酸化效应机制，并初步探明了PLK1信号轴效应蛋白NDP52调控纺锤体定向的新机制（Yu. 2019. Cell Res）；并解析了PLK1重要调控蛋白BubR1的三维结构及其在细胞有丝分裂退出命运抉择过程中的新功能。提出了后生代细胞有丝分裂与极化进化机制新设想，受到领域专家的专评。应美国细胞生物学会邀请，在2017年、2018年及2019年连续三年分别主持 “类器官”、“细胞器”与“细胞命运抉择可塑性”三个研讨会专场，引领细胞动力学的发展新方向，引起国际同行的极大关注。 .值得一提的是，在本项目执行期末，我国及全球80多个国家与地区遭遇了史无前例的新冠（2019-nCoV）的袭击。我们课题组积极投身于科研抗疫，利用细胞动力学理论解析新冠-宿主互动机制及新冠在宿主细胞的寄生周期与传播模式，初步发现新冠棘突蛋白S通过Ezrin信号复合体，从上皮细胞顶膜，进入宿主细胞，为设计基于干预spike-Ezrin识别为靶点的抗新冠侵染提供理论基础。.总之，我们通过不懈努力，超额完成了原项目计划目标，并面向国家重大需求，学以致用，积极解析新冠侵染宿主路径图，为阻击新冠传播提供新知识与理论。.