细胞不对称分裂时PAR-3/PAR-6复合物极性聚集的分子机制研究

Uneven distribution and local concentration of protein complexes on distinct membrane cortices is a fundamental property in numerous biological processes including asymmetric cell divisions (ACD) and is a hallmark of cell polarity. Our previous finding reveals that the basal condensation of cell fate determinant Numb during ACD of Drosophila neuroblasts is mediated by the multivalent protein-protein interaction induced liquid-liquid phase separation. However, it is not known whether such phase-transition-mediated protein condensation on local membrane cortices is a general mechanism for various cell polarity regulatory complexes. With combined biochemical, biophysical and cellular techniques, we plan to test this hypothesis using the conserved core polarity proteins PAR-3/PAR-6 as a paradigm. During ACD, PAR-3/PAR-6 are asymmetrically condensed and form specific and dynamic networks to establish the cell polarity. This work will not only afford information underlying the assembly of PAR-3/PAR-6 complex during cell polarization, but also provide new insight into understanding the mechanism of cancer formation and metastasis induced by disruption of cell polarity.

蛋白质复合物不对称地在细胞特定膜区域上局部聚集（浓缩）是众多生物学过程（包括细胞不对称分裂）的一个基本特性，这也是细胞极性的一个标志性特征。我们前期的发现揭示，果蝇神经干细胞不对称分裂时细胞命运决定因子Numb的底部聚集是由蛋白多位点相互作用引起的液-液相变调控的。然而，目前尚不清楚这种蛋白相互作用引起的相变是否为调控极性蛋白复合物在特定膜区域异位浓缩的一个普遍机制。结合生物化学、生物物理学、以及细胞生物学技术，我们将以保守的核心极性蛋白PAR-3/PAR-6为例探索这一可能。在细胞不对称分裂时，PAR-3/PAR-6异位聚集并形成特异的动态网络调控细胞极性的建立。本研究不仅将为理解细胞极化过程中PAR-3/PAR-6高聚体的形成提供信息，也将为理解细胞极性破坏导致的肿瘤的形成与转移机理提供新视角。

形态学及生物分子的不对称分布被定义为细胞极性，细胞极性在多种生命过程中扮演着重要的角色。我们发现在果蝇神经干细胞不对称分裂的过程中，保守的Par(Par3/Par6/aPKC)复合物通过多位点蛋白-蛋白相互作用发生液-液相分离，在顶部皮层形成高度浓缩又高度动态的点状结构，从而建立细胞极性。体外重组的Par3由于其N端结构域（NTD）介导的寡聚能够自发发生液液相分离现象。Par6通过其C端的氨基酸序列可以直接与Par3 PDZ3相互作用，进而被富集到Par3聚集体中，并且Par6的存在极大地增强了Par3的相分离能力。另一方面，Par复合物中另一重要组分激酶aPKC以“客人”的角色参与到Par3/Par6聚集体中。干扰Par复合物相分离的形成会破坏果蝇神经干细胞不对称分裂过程中顶-底端极性的建立，进而导致神经元谱系发育的缺陷。该研究表明极性蛋白复合物多价相互作用介导的液-液相分离可能是细胞极性建立的普遍机制。. 除了Par蛋白复合物等极性调控蛋白，蛋白质的泛素化修饰对于细胞极性也起到重要的调控作用。Nedd4家族E3泛素连接酶WWP1的酶活性对于神经元发育时期形态的极化以及准确的层状分布十分重要，但是其活性调控机制并不清楚。我们发现WWP1采用一种多位点自抑制机制。移除WW2或者WW34将导致WWP1的部分激活。而WWP1众多癌症相关的突变使其转为半开放的构象从而增强了WWP1活性，并可能通过增加ΔNp63α泛素化降解来促进肿瘤细胞迁移。这种多层调节可以使Nedd4家族E3表现出不同的活性，从而更精确地调控细胞的各种生理进程。该系列工作不仅为理解Nedd4家族E3的活性调控提供了原子水平的结构信息，同时也为相关疾病（如哮喘、肿瘤）的治疗提供了潜在的药物标靶。