JCB｜余化鵬團(tuán)隊(duì)揭示“側(cè)邊-頂點(diǎn)”非囊泡定向運(yùn)輸介導(dǎo)秒分級(jí)機(jī)械力應(yīng)答

在多細(xì)胞生物的發(fā)育與組織穩(wěn)態(tài)維持過(guò)程中，細(xì)胞與細(xì)胞之間的黏附連接（cell-cell junctions）必須與機(jī)械力實(shí)現(xiàn)精確耦合。當(dāng)組織發(fā)生運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂或形態(tài)重塑時(shí)，機(jī)械張力會(huì)在細(xì)胞連接處累積，細(xì)胞需要一種快速且精準(zhǔn)的機(jī)制來(lái)招募黏附加固蛋白以維持上皮完整性。盡管已知 細(xì)胞黏附 蛋白（如Vinculin、Ajuba、Canoe/Afadin等）在張力升高時(shí)會(huì)被招募至膜-皮層連接處加強(qiáng)錨定，但這一過(guò)程如何克服被動(dòng)擴(kuò)散的限制，在空間和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)精準(zhǔn)響應(yīng)，一直是領(lǐng)域內(nèi)的 尚未解釋清楚的現(xiàn)象 。

近日， 南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院余化鵬團(tuán)隊(duì)于Journal of Cell Biology雜志在線發(fā)表了題為Edge-Vertex flow enables rapid adhesion reinforcement under tension的研究長(zhǎng)文。該研究利用果蠅胚胎上皮組織，揭示了一種直接的“ 側(cè)邊 到頂點(diǎn)”（edge-to-vertex）運(yùn)輸機(jī)制：黏附蛋白Canoe/Afadin通過(guò)主動(dòng)搭乘肌動(dòng)球蛋白流動(dòng)的“順風(fēng)車(chē)”，以非囊泡形式沿著細(xì)胞皮層從雙細(xì)胞邊界精準(zhǔn)運(yùn)輸至三細(xì)胞頂點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)力學(xué)信號(hào)的時(shí)空精準(zhǔn)應(yīng)答。有趣的是，該運(yùn)輸過(guò)程依賴于一種激酶非依賴性的Mbt/PAK調(diào)控，且 內(nèi)源表達(dá)的 Canoe/Afadin 類(lèi)似“濕沙” Damp - sand的一種 凝聚態(tài)物理屬性狀態(tài) 決定了 其 運(yùn)輸效率 。同時(shí)， 這一狀態(tài)竟能被生理性溫度變化所調(diào)控。

肌動(dòng) 肌球 蛋白流驅(qū)動(dòng)Canoe/Afadin雙向“ 側(cè)邊 -頂點(diǎn)”穿梭

研究人員利用光轉(zhuǎn)化追蹤和高速活體成像技術(shù)，在果蠅胚胎中觀察到內(nèi)源性Canoe/Afadin蛋白呈現(xiàn)顯著的定向流動(dòng)。與被動(dòng)擴(kuò)散不同，光轉(zhuǎn)化的Dendra2-Canoe分子并未從細(xì)胞質(zhì)直接徑向靶向頂點(diǎn)，而是沿著皮層邊緣單向前進(jìn)，抵達(dá)頂點(diǎn)后再轉(zhuǎn)向相鄰邊緣。高速成像顯示，Canoe點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)與肌球蛋白II（Myosin II）點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)雖空間相鄰但并不 重合 ，二者同步向頂點(diǎn)移動(dòng)。通過(guò)幾何距離量化分析（ΔL值持續(xù)增加），研究排除了“頂點(diǎn)滑動(dòng)導(dǎo)致點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)被動(dòng)位移”的模型，證實(shí)這是一種主動(dòng)的、與肌動(dòng)球蛋白流耦合的皮層運(yùn)輸機(jī)制（詳見(jiàn)正文圖1及視頻1-3）。

關(guān)鍵調(diào)控因子Mbt/PAK：激酶活性非必需，構(gòu)象暴露核心功能區(qū)

為尋找調(diào)控該運(yùn)輸通路的遺傳開(kāi)關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)鄰近標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)篩選和RNAi篩選，鑒定出 II-型 p21激活激酶Mbt/PAK是Canoe/Afadin流動(dòng)的關(guān)鍵閥門(mén)。在Mbt/PAK敲低或突變胚胎中，Canoe無(wú)法在張力作用下富集于三細(xì)胞頂點(diǎn)，反而在雙細(xì)胞邊界形成異常的橢圓狀凝聚體（condensates），且失去了與肌球蛋白的空間相關(guān)性。 令人驚訝的是，結(jié)構(gòu)-功能分析表明，Mbt/PAK發(fā)揮功能不依賴其經(jīng)典的激酶催化活性 。激酶失活突變體（T525A）仍能完全挽救突變體的黏附缺陷。機(jī)制上，Cdc42結(jié)合解除Mbt/PAK的自抑制構(gòu)象后，暴露了其中央的固有無(wú)序區(qū)（IDR）及兩側(cè)的黏附連接定位基序（AJM）。正是這段IDR/AJM區(qū)域作為支架介導(dǎo)了與Canoe/Afadin的相互作用，從而調(diào)控后者的皮層流動(dòng)性與機(jī)械敏感性（ 詳見(jiàn)正文 圖 5 和圖 6 ）。

有絲分裂后的黏附重建與Mbt/PAK的生理必要性

Mbt/PAK調(diào)控的生理意義在同步細(xì)胞分裂過(guò)程中尤為凸顯。在果蠅胚胎腹中線形成階段，相鄰細(xì)胞同步完成有絲分裂后，需要快速重建新的三細(xì)胞連接。研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏Mbt/PAK的情況下，分裂后的子細(xì)胞無(wú)法建立穩(wěn)定的連接，導(dǎo)致嚴(yán)重的組織閉合缺陷?；铙w成像顯示，在有絲分裂中期，Canoe與Mbt/PAK在皮層水平同步發(fā)生暫時(shí)性下調(diào)，而在分裂后恢復(fù)期，Mbt/PAK是確保Canoe快速重定位至新生頂點(diǎn)的必要條件（ 詳見(jiàn)正文 圖3和圖4）。

熱力學(xué)調(diào)控：溫度升高可“溶解”異常凝聚體并挽救功能

Canoe/Afadin在Mbt/PAK缺失時(shí)形成的凝聚體呈現(xiàn)出典型的生物分子相分離特征：具有動(dòng)態(tài)交換、凝膠狀低流動(dòng)性以及對(duì)1,6-己二醇不敏感等性質(zhì)。 研究人員開(kāi)發(fā)了果蠅胚胎熱力學(xué)成像平臺(tái)（TIDE），首次在活體組織中原位分析內(nèi)源蛋白的相變熱力學(xué)。 數(shù)據(jù)顯示，Canoe凝聚體具有溫度依賴性：在29°C臨界溫度以上迅速溶解，降溫后又可逆重組。更為重要的是，僅通過(guò)將Mbt/PAK突變胚胎在34°C短暫孵育，即可溶解異常凝聚體、恢復(fù)Canoe皮層流動(dòng)性與頂點(diǎn)定位，并部分挽救上皮黏附缺陷。這提示環(huán)境溫度可作為直接的生理信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)凝聚狀態(tài)來(lái)影響發(fā)育過(guò)程中的組織完整性。 ( 詳見(jiàn)正文圖7)

GoldilockPrinciple：最優(yōu)凝聚態(tài)決定運(yùn)輸效率

既然過(guò)度凝聚導(dǎo)致運(yùn)輸停滯，那么徹底消除凝聚是否更優(yōu)？通過(guò)刪除保守的N端α螺旋（αH1）阻止凝聚體形成后，雖然蛋白流動(dòng)性增加，但Canoe反而失去了與肌球蛋白流的空間耦合及機(jī)械響應(yīng)能力，同樣無(wú)法挽救突變體功能。利用超分辨率多角度結(jié)構(gòu)光照明成像（Multi-SIM），研究者首次在活體野生型胚胎中捕捉到內(nèi)源Canoe表現(xiàn)為離散的液態(tài)樣點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，它們經(jīng)歷融合、分裂并隨皮層流動(dòng) （詳見(jiàn)正文圖8，圖9） 。這些證據(jù)共同勾勒出一 個(gè) “運(yùn)輸效率門(mén)檻”模型：Canoe/Afadin必須處于一種“恰到好處”的物理狀態(tài)——類(lèi)似于“濕沙”：既要有足夠的凝聚性以便被肌動(dòng)球蛋白流整體搬運(yùn)（防止分散流失），又要保持一定的流動(dòng)性以適應(yīng)皮層幾何形狀的變化 。 Mbt/PAK正是通過(guò)調(diào)節(jié)這種凝聚態(tài)的閾值，確保Canoe在需要時(shí)能迅速響應(yīng)張力并精準(zhǔn)投送至頂點(diǎn)。

總結(jié)與展望

該研究闡明了 皮層黏附蛋白通過(guò)非囊泡、主動(dòng)流動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)空間精準(zhǔn)投送的普遍機(jī)制。這不僅解答了細(xì)胞如何在 秒分 級(jí)時(shí)間內(nèi)強(qiáng)化特定受力點(diǎn)的生物學(xué)難題，還創(chuàng)新性地將活體熱力學(xué)分析引入發(fā)育生物學(xué)研究 。這一發(fā)現(xiàn)為理解組織形態(tài)發(fā)生中的力-化耦合提供了新視角，同時(shí)也暗示，在其他需要快速響應(yīng)機(jī)械力的場(chǎng)景（如緊密連接形成、突觸囊泡運(yùn)輸）中，類(lèi)似的“凝聚態(tài)介導(dǎo)的主動(dòng)運(yùn)輸”策略可能被廣泛采用。

南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基礎(chǔ)免疫與微生物學(xué)系余化鵬副教授為論文的通訊作者。余化鵬實(shí)驗(yàn)室的科研助理鄭琪鴻，博士生張成閣，博士生王銘辛為論文并列第一作者。該研究 得益于與 同 院 吳先登副教授 ，溫子龍教授，王若希副教授的多次交流與討論。

原文鏈接：https://doi.org/10.1083/jcb.202601182

余化鵬課題組長(zhǎng)期致力于細(xì)胞集群的黏附與機(jī)械力應(yīng)答的研究，結(jié)合果蠅胚胎與哺乳動(dòng)物3D類(lèi)器官為模式系統(tǒng)，專(zhuān)注于探究細(xì)胞黏附與機(jī)械力在組織三維形態(tài)構(gòu)建中的作用。先后利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞3D培養(yǎng)模型確立了雙細(xì)胞連接核心蛋白p120-catenin對(duì)于維持二維細(xì)胞柱狀結(jié)構(gòu)與三維腔體形成的重要作用，以及利用果蠅胚胎模型揭示了三細(xì)胞連接是胚胎感應(yīng)機(jī)械力并調(diào)節(jié)細(xì)胞間黏附的熱點(diǎn)位置。課題組歡迎對(duì)于活體生物力學(xué)以及高分辨活體成像的同學(xué)與博士加入。課題組歡迎對(duì)于活體生物力學(xué)以及高分辨活體成像的同學(xué)與博士加入。

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制版人：十一

參考文獻(xiàn)

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