膜結(jié)合的Cdc42(綠色表示)是酵母細(xì)胞極性的一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)物。微絲引導(dǎo)的一種過程導(dǎo)致Cdc42分子在酵母細(xì)胞出芽發(fā)生的地方聚集,。圖片來自Sarah Smith, Stowers Institute for Medical Research,。
人們通常認(rèn)為細(xì)胞從各個方向來看傾向差不多都是一樣的,。但是實(shí)際上,，細(xì)胞有前后上下之分,，并且按照一定的極性將它們自身的很多結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，這就解釋了為什么酵母細(xì)胞在一端而不是另一端出芽增殖,。
在過去幾年,，來自美國斯托瓦斯醫(yī)學(xué)研究所(Stowers Institute for Medical Research)的Rong Li博士和她的研究小組解決了關(guān)于酵母建立細(xì)胞極性(cell polarity)的基礎(chǔ)生物化學(xué)機(jī)制的很多重要性細(xì)節(jié)。如今,，研究小組利用尖端的顯微鏡技術(shù)和高等數(shù)學(xué)知識發(fā)現(xiàn)了一種令人吃驚的新研究發(fā)現(xiàn)。這些研究結(jié)果發(fā)表在2012年3月那期《自然-細(xì)胞生物學(xué)》期刊上,。研究員Arupratan Das,、Rong Li和他們的5名同事在酵母中發(fā)現(xiàn)一種酶通過將稱作磷脂的分子從細(xì)胞膜外層移到內(nèi)層就足以改變它的極性。
更重要的是,，參與這種錯綜復(fù)雜機(jī)制的所有分子不僅在酵母中發(fā)現(xiàn)，而且也在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn),。這就提供新的方法來探索細(xì)胞極性是如何在諸如肝細(xì)胞之類的細(xì)胞中構(gòu)建的以及這種機(jī)制發(fā)生故障是否能夠?qū)е录膊‘a(chǎn)生,。Li解釋道，“細(xì)胞極性對于極大多數(shù)細(xì)胞的特殊功能是至關(guān)重要的,。我們的發(fā)現(xiàn)可能獲得這種機(jī)制的很多線索。我們正希望其他人將注意到我們的發(fā)現(xiàn)，并將之應(yīng)用到他們研究的細(xì)胞,。”
幾十年之前,，科學(xué)家一直認(rèn)為細(xì)胞極性可能是由外部信號造成的---比如細(xì)胞外空間定位化學(xué)信號(spatially localized chemical signal)指示細(xì)胞如何移動和發(fā)揮作用。然而,，研究人員也早就注意到?jīng)]有這些定位的信號，細(xì)胞仍然能夠產(chǎn)生極性,，這就意味著酵母細(xì)胞產(chǎn)生極性和出芽增殖的能力是天生的,。
Li領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)這種內(nèi)在過程的重要線索。一種稱作Cdc42的分子嵌入在細(xì)胞膜中并作為該過程的一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)物而起作用,。在沒有發(fā)生極性的細(xì)胞中，Cdc42在細(xì)胞膜中是隨機(jī)分布的,。它也在細(xì)胞內(nèi)四處游動,。
當(dāng)被激活時，Cdc42促進(jìn)微絲(microfilament)形成骨架,，而這種骨架引導(dǎo)自由移動的Cdc42游向已嵌入細(xì)胞膜中的Cdc42,。細(xì)胞膜的一些部分要比其他部分含有較多的Cdc42,，這是因?yàn)槲⒔z引導(dǎo)的Cdc42移動過程導(dǎo)致這種分子在這些區(qū)域聚集,。最終，酵母細(xì)胞在它出芽增殖的地方含有高濃度的Cdc42,。
當(dāng)然，實(shí)際情形并不是如此簡單,。細(xì)胞膜結(jié)合的Cdc42能夠擴(kuò)散而從膜上脫離,，但是也能夠被一種稱作Rdi1的分子從膜上拉下來，然后被細(xì)胞回收從而回到它們以前所在的位置,。Cdc42的回收速度最終決定了它在膜上的聚集區(qū)域的大小,，從而直接影響酵母細(xì)胞向外生長的出芽形狀。較快的Cdc42循環(huán)速度導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生較小的聚集區(qū)域,，而較慢的循環(huán)速度導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生較大的聚集區(qū)域,。在2009年的一篇論文中，Li領(lǐng)導(dǎo)的研究小組證實(shí)這種循環(huán)過程既能夠很快地發(fā)生,，也能夠很慢地發(fā)生,。
因此,，是什么控制Cdc42從膜上脫離和Cdc42循環(huán)利用的速度,？Li和她的同事們通過尋找一些當(dāng)敲除時會影響這些速度的基因而解決了這種問題。他們發(fā)現(xiàn)一種基因會減慢這些速度,。這讓人大吃一驚,。Li說，“這不是我們當(dāng)初想象的那樣,。”事實(shí)上，她起初甚至不確定她所在的研究小組是否找到這種基因,。這是因?yàn)樵摶蚓幋a一種足以將脂質(zhì)從細(xì)胞膜的一邊翻轉(zhuǎn)到另一邊的脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶(lipid flippase),。她說，脂質(zhì)是“確實(shí)難纏，而且很難研究,。”然而Arupratan Das愿意泰然處之,。Li說，“我不得不贊揚(yáng)Arupratan Das,，因?yàn)樗苡赂业孛鎸Α?rdquo;
Das和他的同事們利用頂尖的熒光漲落譜方法(Fluorescence Fluctuation Spectroscopy)能夠在活酵母細(xì)胞中繪制分子的運(yùn)動,，找出這種脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶所起的作用,。這就是他們發(fā)現(xiàn)的結(jié)果：
靠近Cdc42分子的一端存在一塊帶凈正電荷的區(qū)域。細(xì)胞膜帶負(fù)電荷,。因此,，Cdc42的帶正電荷的這塊區(qū)域讓Cdc42分子靠近細(xì)胞膜，從而允許Cdc42分子一端的脂錨鉤(lipid anchor)穩(wěn)定地插入到膜中,。為了將Cdc42從膜上拉下來以便進(jìn)行循環(huán)利用，Rdi1必須抓住這種脂錨鉤,。 Li解釋道,，“Rdi1不能進(jìn)入細(xì)胞膜，因此它需要松開Cdc42中帶正電荷的這塊區(qū)域,。”
這就是脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶發(fā)揮作用的地方。已知這種酶能夠?qū)㈦姾芍行缘牧字D(zhuǎn)到膜內(nèi)層,。膜內(nèi)層負(fù)電荷減少,，從而允許Cdc42脂錨鉤更容易溜走。Das解釋道,，這就闡釋了“一種簡單的物理相互作用如何調(diào)節(jié)在細(xì)胞產(chǎn)生極性期間觀察到的復(fù)雜形態(tài)發(fā)生的結(jié)果,。”
這種機(jī)制就這樣被全部闡釋清楚了嗎？恐怕不是如此,。研究人員希望他們能夠根據(jù)對活細(xì)胞的觀察而揭示這種機(jī)制,。但是活細(xì)胞中，排除其他因素的影響是很難的,。因此,，Das努力構(gòu)建小塊人造的重建膜來測試這種機(jī)制,。他回憶道，“這是一個大的挑戰(zhàn),，在我們成功開展研究之前需要解決很多問題,。”在一年的努力之后，它確實(shí)成功了,。研究小組利用一種稱作全內(nèi)反射熒光顯微鏡(total internal reflection fluorescence microscopy)而能夠證實(shí)膜攜帶的電荷確實(shí)決定Cdc42能夠被Rdi1從膜上拉下來的速度。
下一個挑戰(zhàn)將是找出是什么控制這種脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶,。Li說,，“已有一些線索表明事情變得更加棘手，因?yàn)檫@種脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶可能被細(xì)胞膜中另一類脂質(zhì)調(diào)節(jié),，也可能被其他酶調(diào)節(jié),。”不論如何,，這篇新論文已為科學(xué)家更好地理解所有細(xì)胞類型產(chǎn)生細(xì)胞極性打開大門。而且它也表明新的實(shí)驗(yàn)工具和數(shù)學(xué)分析方法能夠有助于在細(xì)胞內(nèi)追蹤分子并進(jìn)行計數(shù),。 (生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1038/ncb2444
PMC:
PMID:
Flippase-mediated phospholipid asymmetry promotes fast Cdc42 recycling in dynamic maintenance of cell polarity
Arupratan Das, Brian D. Slaughter, Jay R. Unruh, William D. Bradford, Richard Alexander, Boris Rubinstein & Rong Li
Lipid asymmetry at the plasma membrane is essential for such processes as cell polarity, cytokinesis and phagocytosis1, 2, 3. Here we find that a lipid flippase complex, composed of Lem3, Dnf1 or Dnf2 (ref. 4), has a role in the dynamic recycling of the Cdc42 GTPase, a key regulator of cell polarity5, in yeast. By using quantitative microscopy methods, we show that the flippase complex is required for fast dissociation of Cdc42 from the polar cortex by the guanine nucleotide dissociation inhibitor. A loss of flippase activity, or pharmacological blockage of the inward flipping of phosphatidylethanolamine, a phospholipid with a neutral head group, disrupts Cdc42 polarity maintained by guanine nucleotide dissociation inhibitor-mediated recycling. Phosphatidylethanolamine flipping may reduce the charge interaction between a Cdc42 carboxy-terminal cationic region with the plasma membrane inner leaflet, enriched for the negatively charged lipid phosphatidylserine. Using a reconstituted system with supported lipid bilayers, we show that the relative composition of phosphatidylethanolamine versus phosphatidylserine directly modulates Cdc42 extraction from the membrane by guanine nucleotide dissociation inhibitor.
