细胞极性

细胞极性CellPolarity•细胞极性（cellpolarity）：细胞，尤其是组织中的细胞的三维形态常常不是随机或均匀的，而会表现出轴向性(axialization)，即一个方向明显不同于其它方向的形态特征。如果一个细胞中的亚细胞(subcellular)结构或者分子总是沿着某个或某几个轴向呈不对称分布，这样的细胞就具有极性。•细胞极性是单细胞和多细胞生物中广泛存在一个特征，许多情况下，极性可以通过细胞形态来分辨。epitheliumApicalside顶端Basalside底端神经元：轴突与树突迁移的细胞Leadingedge前缘Trailingedge后缘•外形均匀的细胞，如卵细胞，也会具有极性。•细胞极性的产生，归根结底是因为细胞上或细胞内某些分子在特定区域或位置的选择性滞留。•细胞极性对于许多生物学过程和功能都是非常重要的，卵细胞的极性对于胚胎发育至关重要；柱状上皮细胞顶端和基底端的形态和结构的差别保障了它们的外分泌、吸收和屏障等功能；细胞运动迁移依赖于细胞的极性化。•细胞极性的形成由细胞骨架体系介导，在非极性的诱原(cue)刺激下，细胞骨架体系重新组织，并导致各分子成分不对称分布。Asummaryofthevariouscelljunctionsfoundinavertebrateepithelialcell.Thedrawingisbasedonepithelialcellsofthesmallintestine.Epithelialcellpolarity紧密连接粘附连接桥粒半桥粒顶端底端缝隙连接MW1200TightJunction，TJ•TJ主要由连接粘附分子(junctionaladhesionmolecular,JAM)claudin和occludin组成。这些跨膜蛋白质的胞外端通过相互作用将相邻的细胞连接在一起，而胞内端则通过ZO-1、ZO-2、和ZO-3与微丝骨架相联系。Thisdrawingshowsthetransmembraneclaudinandoccludinproteinsinatightjunction.Theclaudinsarethemaincomponentsofthesealingstrands;thefunctionoftheoccludinsisuncertain.•TJ可以作为屏障防止胞外液中的分子扩散出上皮细胞层，闸门功能•TJ可以阻止脂类和一些膜蛋白在不同的膜区域之间穿越，栅栏功能•TJ可以汇聚信号分子和转录因子并调节它们的定位和功能AdherensJunction，AJ•粘附连接主要由跨膜粘附分子nectin和钙调蛋白cadherin组成，它们分别通过afadin和β-catenin与微丝骨架结合。β-cateninafadin桥粒(Desmosome)半桥粒(Hemidesmosome)•桥粒和半桥粒分别利用cadherin之间或整合素(integrin)与胞外基质间的结合，再通过胞内分子与角蛋白(keratin)组成的中间丝骨架连接而形成。Thestructuralcomponentsofadesmosome.Desmogleinanddesmocollinaremembersofthecadherinfamily.Theircytoplasmictailsbindplakoglobin(γ-catenin),whichinturnbindstodesmoplakin.Desmoplakinalsobindstothesidesofintermediatefilaments.Asummaryofthevariouscelljunctionsfoundinavertebrateepithelialcell.Thedrawingisbasedonepithelialcellsofthesmallintestine.上皮细胞极性建立和维持的分子机制•A-B极性建立的过程在真核生物中是很保守的，可以分成连接的建立和极性区域的形成这两部分。•在上皮细胞极性建立和维持过程中有许多的分子参与其中，最主要的是3个复合物：Par-aPKC复合物、Crb-Pals1-PATJ复合物和Scribble(Lgl-Dlg-Scrib)复合物，前两个复合物负责顶端区域的形成，第三个负责基底部区域的形成，三者共同配合发挥功能。因此这三类复合物统称为极性复合物。紧密连接的形成•上皮细胞极性的形成首先是胞间连接的建立。•当两个相邻的细胞发生接触时,粘附分子nectin间的聚合建立最初的连接点：•Nectin诱导激活小G蛋白Cdc42然后将E-cadherin、alpha-catenin和beta-catenin招募到连接点•Nectin还通过afadin把紧密连接蛋白如claudin招募到连接点•Nectin通过胞内段结合afadin和Par3，而Par3又促进nectin和afadin的结合•最终，点状的粘附连接融合到一起形成成熟的带状粘附连接，也就形成了完整的紧密连接。•Par3是Par-aPKC复合物中的一个成员，该复合物包括3个成员Par3、Par6和aPKC。•Par3：partitioning-defective3;•Par6：partitioning-defective6;•aPKC:atypicalproteinkinaseC,非典型性蛋白激酶C•aPKC是一种丝/苏氨酸蛋白激酶,而Par6、Par3都是支架蛋白(scaffoldprotein),三者相互作用形成功能性的复合物。•aPKC与Par6通过它们N端的PB1结构域相互结合。•Par6中的半CRIB模体(Cdc42/Racinteractivebindingmotif)和邻近的PDZ结构域(PSD95/Discs-Large/ZO1domain)可以与小分子GTP酶Cdc42结合，Cdc42被认为是细胞极化信号整合的中心。因此，Par6可以作为接头分子介导极化信号从Cdc42到aPKC的传递。•Par3通过其中心的保守区域与aPKC的激酶结构域相互作用。极性区域的形成和维持•上皮细胞极性的形成其次是极性区域即顶部（apicaldomain）和底部（basaldomain）的形成。三个极性复合物共同参与这个过程，但Par-aPKC复合物及其它Par蛋白质起主导作用。•Par-aPKC复合物的三个分子之间是相互调节的，aPKC和Par6通过他们的N端相互结合。•激活形式的Cdc42结合Par6，然后激活aPKC。Cdc42是细胞极性建立所需的一个核心的开关分子，它的激活与否受到胞外信号的严格控制。因此Cdc42与Par-6的结合可以看作是将极性信号传递给了Par-aPKC复合物。•Par3通过其中心的保守区域与aPKC的激酶结构域相互作用，而aPKC可以磷酸化Par3，从而降低Par3和aPKC的结合能力。Par3一般在aPKC或者Par6之前定位于细胞膜上的特定区域，因此有人认为是Par3把Par6-aPKC招募到了膜上。•Par-aPKC复合物和Par1在胞内的定位是互相排斥的，前者位于顶部，后者位于基底部。•Par1通过磷酸化Par3上保守的丝氨酸位点导致Par-aPKC复合物不稳定，进而阻止Par-aPKC复合物向基底部扩散。•而aPKC可在紧密连接处磷酸化Par1上保守的苏氨酸位点，使Par1从基底外侧膜上游离出来。•Par4/LKB1通过磷酸化Par1的激酶结构域将其激活，而Par5可以结合磷酸化的Par1，将Par1从紧密连接上解离下来并维持其在细胞膜基底外侧的定位。•Scribble复合物在细胞的底部抑制Par-aPKC复合物的功能，同时也被Par-aPKC复合物在细胞的顶部抑制功能。•Scribble复合物包括3个成员：Lgl(lethalgiantlarvae)，Scribble和Dlg(discslarge)，它们是定位在细胞膜基底外侧的肿瘤抑制因子，在功能上互相依赖，形成一个功能复合物。•在上皮细胞中敲除Lgl会导致细胞膜顶部区域扩大，而过表达Lgl则会导致细胞膜基底部扩大。•Par3在将Par6-aPKC招募到膜顶部的同时把Lgl从新形成的紧密连接处去除，而Lgl与Par3竞争结合Par6-PaKC复合物，使得Par3与Par6-aPKC分割开来。•Cdc42通过结合Par6激活aPKC，aPKC进一步磷酸化Lgl使其发生构象的变化，不能与膜或微丝骨架结合，从而不能够呆在细胞的顶部。•Scribble、Dlg与Lgl一起在细胞的底部抑制Par-aPKC复合物的功能，通过维持细胞膜的基底部来维持细胞的A-B极性。•Par-aPKC复合物还调控了Crb复合物在细胞顶部的定位。•Crb复合物包括3个成员：跨膜蛋白Crb(Crumbs)、鸟苷酸激酶Plas1(也称为Stardust)和PATJ。•Plas1通过分别结合Crb和Par6将Crb和Par-aPKC复合物联系起来，从而保证了Par-aPKC复合物与细胞膜顶端的联系。•Plas1与Par6的结合受活性形式的Cdc42的调控。而Par-aPKC复合物将Crb复合物与紧密连接联系起来，并一起调控紧密连接的建立。•Crb复合物也可以对抗Scribble复合物的功能，从而将它们限制到极性细胞的底部，同时维持顶部。•与Lgl相反，Crb过表达会导致细胞膜顶部的扩大、紧密连接形成阻滞并抑制极性的形成。•由此可见这三大复合物和其它一些蛋白质共同配合，参与了上皮细胞极性的形成、建立和维持。•其基本的原理就是信号分子复合物之间相互作用或排斥，造成蛋白质分子的不对称分布，最后在细胞内形成不同的亚细胞区域来形成A-B极性。Schematicdiagramofproteininteractionscriticalforepithelialcellpolarityctn:catenin;p:phosphorylation细胞极性与肿瘤•人类大多数的癌变起源于具有顶-底极性的上皮组织细胞，癌变通常会伴随细胞极性丧失和组织结构紊乱等表型，因此，细胞极性丧失是癌症诊断的一个重要指标。•Scrib复合物功能丧失与肿瘤发生密切相关•Par复合物异常激活参与肿瘤的形成•Scrib复合物和Par复合物相互拮抗功能的失调可能是肿瘤发生的基础•Crumbs复合物蛋白异常定位与癌症发生发展密切相关EMT•上皮细胞间质转化（epithelial-mesenchymaltransition，EMT）过程中，细胞顶-底极性丧失，同时伴随上皮细胞表型的丢失，及间质表型（前-后极性）的形成；•经过EMT的发生，细胞极性的改变使上皮细胞丧失了细胞间的黏附结构并发生细胞骨架的重排，最终使上皮细胞形成孤立的、运动能力增强的、耐受凋亡的上皮细胞间质表型；•从而增强了上皮细胞的运动能力并获得迁移及浸润的能力。RhoACTENMET•经过EMT的发生，细胞极性由上皮细胞的顶-底极性转变为间质型的前-后极性，肿瘤细胞向血液系统和淋巴系统浸润而发生远处转移后，经过间质-上皮转化（mesenchymal-epithelialtransition,MET），使癌细胞恢复上皮细胞的顶-底极性和相关表型，形成与原发灶癌相似的癌细胞巢。•结合所学知识，谈谈癌症防治蛋白小分子类药物的开发的思路。Summary•各章节基础知识•Protein,domain,motif•RhoGTPases:RhoA,Rac1,Cdc42•Phosphorylation,kinase知识的应用•糖代谢和RhoGTPases的关系？