干细胞不对称分裂中LGN及其相关蛋白的结构研究

Asymmetric stem cell division, a fundamental process used to generate cellular diversity during development in metazoan, requires the establishment of cortical cell polarity and the orientation of the mitotic spindle along the axis of cell polarity. LGN plays an indispensable role in this process, which is involved in the formation of two important protein complexes: Par-mInsc-LGN-Gαi and LGN-Gαi-NuMA, the former regulates the establishment and maintainess of cell polarity, and the latter controls the mitotic spindle orientation. Importantly, both protein complexes are evolutionary conserved from Drosophila to mammals. However, detailed structural basis of LGN-mediated protein complex assembly is largely unclear. We plan to characterize the biochemical and structural properties of LGN and its related proteins mInsc，NuMA，and Gαi to understand the molecular mechanisms by which LGN connects the Par-mInsc and NuMA-Gαi complexes to coordinate cell polarization and spindle orientation during asymmetric stem cell division.

干细胞的不对称分裂是提供生物多样性的基础，其过程与细胞极性的建立及纺锤体沿细胞极性轴的转向密切相关。LGN蛋白在干细胞不对称分裂中起核心作用，它分别参与两大重要蛋白质复合体Par-mInsc-LGN-Gαi以及LGN-Gαi-NuMA的形成，前者调控细胞极性的建立与维持，后者调节纺锤体的转向。重要的是，LGN调控的这两大细胞不对称分裂蛋白复合体从果蝇到哺乳动物中都是非常保守的。但是由于生化及结构信息的极端匮乏，该过程中关键步骤的作用机制尚不明晰。本项目尝试从蛋白质相互作用以及蛋白结构层次对干细胞不对称分裂中发挥重要功能的LGN及其作用蛋白mInsc，NuMA，Gαi进行深入研究，为干细胞不对称分裂研究提供分子水平的结构信息，进而为理解干细胞不对称分裂过程中关键通路的调控机制提供结构基础。

干细胞的不对称分裂是提供生物多样性的基础，其过程与细胞极性的建立及纺锤体沿细胞极性轴的转向密切相关。LGN 蛋白在干细胞不对称分裂中起核心作用，它分别参与两大重要蛋白质复合体Par-mInsc-LGN-Gαi 以及LGN-Gαi-NuMA 的形成，前者调控细胞极性的建立与维持，后者调节纺锤体的转向。重要的是，LGN 调控的这两大细胞不对称分裂蛋白复合体从果蝇到哺乳动物中都是非常保守的。LGN 通过氨基端的TPR结构域结合mInsc与NuMA，但是LGN通常处于自抑制构象，Gai结合其羧基端的GoLoco (GL) 结构域可以打开该抑制构象。结合生化与结构研究，我们表征了LGN中TPR与GL的作用机理，发现每两个串联的GL模序(GL12, GL34) 可形成最小的TPR结合模块。GL12与GL34分别结合 TPR0-3以及TPR4-7。TPR4-7/GL34的复合物晶体结构表明，GL34形成一对平行的α螺旋结合在TPR4-7的凹槽面，因此抑制LGN与靶物（如mInsc, NuMA）的结合。我们证明Gai•GDP与LGN 的结合可以打开其自抑制构象，进而促进TPR与NuMA的结合。我们进一步发现多个GL模序与TPR的结合模式不同于单个GL与Gai•GDP的结合方式，意味着多GL模序蛋白LGN可能以一种新的方式相应G蛋白信号通路并进而促进纺锤体的转向。