调控细胞趋向性运动的极性信号蛋白的筛选与功能研究

Cell migration plays a critical role in a variety of biological processes, including embryogenesis, organ formation, immune response and regenerative processes such as wound healing. The binding of chemoattractant to receptors on the plasma membrane triggers cell migration and polarity reformation by activating a complex signal transduction network. The asymmetric distribution or activation of signaling proteins is essential during this process, however the underlying regulatory mechanisms are still unclear. In the model organism Dictyostelium discoideum, upon stimulation with uniform chemoattractants, known leading or lagging edge signaling proteins often display characteristic behaviors by transiently translocating to or falling off from the plasma membrane, respectively. Using quantitative proteomics approach, we design experiments to systematically isolate peripheral membrane proteins that display similar behaviors upon stimulation. By characterizing these proteins, we aim to identify new regulators of chemotaxis. Further elucidation of the molecular basis of their polarized distribution and cellular function will likely provide new insights into the molecular mechanisms of polarity establishment and cell migration.

细胞迁移是最重要的生命活动之一，在胚胎发育，器官形成，损伤修复及免疫应答等过程中都发挥着重要作用。在趋化性运动中，趋化因子通过激活一系列胞内信号转导通路来完成细胞形态和位置的改变。信号分子的极性定位或特异激活是细胞定向迁移的重要步骤，但其调控机制尚不明确。在模式生物Dictyostelium细胞中，在细胞质膜的前或后端特异定位的信号分子可响应均匀场趋化信号刺激而发生瞬时的定位改变。基于极性信号蛋白的这一动态特征，在本项目中我们选取定量蛋白质组学作为研究手段，通过比较趋化因子cAMP刺激前后Dictyostelium细胞膜蛋白组分的变化，系统筛选可以被瞬时招募至细胞质膜或从质膜上解离的外周膜蛋白，从而鉴定在细胞前端或后端极性定位的新的信号分子，进而发现新的细胞定向运动的调控因子并对其定位机制和细胞功能进行深入研究，以期进一步理解细胞极性建成和定向运动的分子生物学机制。

细胞极性是相关信号分子及其调控的生化过程在细胞特定区域选择性分布或激活的结果。极性需要在多种细胞过程中被建立和维持，细胞的极化状态也能根据微环境或细胞功能的变化而不断变化，构成细胞形态多样性和可塑性的基础。高度动态的细胞过程中，例如细胞迁移和巨胞饮过程中，极性建立和维持的分子机制尚不明确。. 本项目利用模式生物Dictyostelium discoideum细胞中极性分子响应均匀场趋化因子刺激产生瞬时转移定位的现象，采用比较蛋白质组学方法对趋化因子刺激不同时间点的外周膜蛋白组分进行系统分析，鉴定得到一个新的极性分子，命名为Leep1（Leading edge enriched protein 1）。研究证明Leep1通过其N端非典型PH 结构域与PIP3结合而特异定位于巨胞饮杯（macropinocytic cup）和迁移细胞的前导端。结合成像和生化实验，通过对leep1敲除和过表达细胞的表型分析，发现leep1敲除细胞表现出巨胞饮和伪足动态的缺陷，而leep1过表达在促进丝状伪足的同时竞争性抑制板状伪足和巨胞饮结构，也导致细胞定向运动和巨胞饮的缺陷。免疫共沉淀-质谱方法鉴定互作蛋白发现，Leep1特异结合Scar/WAVE复合体，并通过对Scar/WAVE复合体的负调控，影响微丝结构的重排，从而调节不同前端结构间的动态平衡和细胞功能。.该工作揭示了Leep1通过协同调控PIP3和Scar/WAVE复合体调节细胞伪足和巨胞饮结构形态建成的分子机制，为进一步研究细胞迁移和巨胞饮过程中极性建立和维持的机制奠定了基础。此外，该工作也为在其他细胞或生命过程中系统筛选极性调控元件提供了新的思路和手段。