Cell丨发现一条指导细胞膜上纳米结构域形成的受体信号通路——整合素机械-化学信号诱导产生细胞膜纳米结构域或可促进细胞运动
撰文 | 咸姐
责编 | 兮
哺乳动物细胞与外界环境之间的交流，包括细胞间相互作用、配体介导的信号转导以及病原微生物的入侵等都是通过嵌入细胞膜中的蛋白质实现的【1】，这些蛋白并不是均匀分布于细胞膜内的，而是与特定的脂质成分在细胞膜上聚集形成微结构域——脂筏。脂质双分子层有不同的脂筏：外层的微结构域主要含有鞘脂、胆固醇及糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（Glycosylphosphatidylinositol-anchoredprotein，GPI-AP），因为鞘脂含有长链饱和脂肪酸，Tm温度较高，流动性差且粘稠，而邻近的磷脂区其脂肪酸多不饱和，Tm温度较低，所以出现分相；膜内侧也有相似的微结构域，与外侧不同，其主要是酰化的蛋白质，特别是信号转导蛋白（如图1）【2,3】。
图1 脂筏模式图（来源于：陈岚,许彩民,袁建刚等,脂筏的结构与功能.生物化学与生物物理进展[J].2003;30(1):54-59）
随着荧光共振能量转移显微技术的出现，科学家们终于发现，在细胞膜上，脂筏上的GPI-AP等蛋白会聚集形成直径小于70nm的纳米结构域，而且其形成依赖于细胞内胆固醇的存在【4】。研究发现，GPI-AP纳米簇的形成受到双分子层内膜上可收缩的“星状体”的瞬时重塑的驱使，这种“星状体”主要由动态的肌动蛋白微丝和肌球蛋白组成，它可以稳定内膜上包含长链脂酰基的磷脂酰丝氨酸（PS），从而跨双分子层与外膜上的GPI-AP相互作用，促进纳米簇的形成，调节其过程或对细胞表面的信号转导过程有重要影响。
尽管越来越多的研究加深了我们对细胞膜上纳米簇的形成的了解，但是，对于其具体过程，诸如肌动蛋白如何成核、肌球蛋白功能如何被激活或者肌动蛋白如何与PS脂质相连接等等问题我们依旧不甚清楚。
2019年5月16日，来自印度塔塔基础研究所的Satyajit Mayor团队在Cell上发表题为Integrin Mechano-chemical Signaling Generates Plasma Membrane Nanodomains that Promote Cell Spreading的文章，对上述问题提出了他们的见解，发现了一条指导细胞膜上纳米结构域形成的受体信号通路，即包含Arg-Gly-Asp序列的配体与整合素β1受体结合后，激活src家族激酶（SFK）和黏着斑激酶（FAK），进而激活RhoA信号，从而通过特定的成蛋白（formins）与肌球蛋白一起触发肌动蛋白成核而驱使膜蛋白的纳米成簇，与此同时，踝蛋白介导的机械传感器——黏着斑蛋白的激活使得肌动球蛋白与内膜脂质机械耦合，也导致GPI-AP纳米簇的形成，并且证明，这些细胞膜上形成的纳米簇可以反过来影响整合素对细胞伸展和迁移的作用。
首先，研究者建立了活细胞纳米成簇的体外模型（图1），他们在中国仓鼠卵巢细胞中稳定表达EGFP或YFP标记的GPI，将细胞重新铺回涂有纤连蛋白（FN）或BSA的培养皿中，FRET监测纳米成簇结果显示，FN作为一种特殊的整合蛋白，其存在使得细胞的荧光发射各向异性较BSA培养皿中的细胞低了很多，提示纳米簇的形成增加。此外，进一步实验发现，基于FN的纳米成簇是通过激活β1整合素介导的，并且朝向配体相关的整合素不断变化，增加FN密度或通过Mn2+激活整合素均能促进GPI-AP纳米簇的形成。同时，由于Arg-Gly-Asp序列（RGD）是FN被整合素识别而激活下游信号分子的区域，当给予贴壁细胞循环RGD时，细胞也能形成纳米簇，进而表明GPI-AP纳米成簇的增加是由整合素-配体结合后带来的一系列化学信号引起的。
图1 模型建立示意图
那么，到底是哪一条信号通路导致了GPI-AP的纳米成簇呢？已有研究证实，GTP酶、酪氨酸激酶和各种细胞骨架修饰蛋白都参与整合素介导的信号转导，本文的研究者们采用化学和基因干扰手段发现， SFK-FAK-RhoA介导的整合素信号级联放大反应将整合素连接到动态的肌动球蛋白装置，这个装置又可以反过来促进GPI-AP及其他膜蛋白的纳米成簇，以使其又可以参与到这个动态过程中来。与此同时，研究人员发现，在空间调节上，GPI-AP纳米成簇过程要求整合素配体固定化，以产生力量依赖性整合素信号的激活，而这个过程又伴随着踝蛋白介导的黏着斑蛋白激活，黏着斑蛋白结合脂质和肌动蛋白的能力是催化形成GPI-AP纳米簇所必须的。
最后，通过突变细胞内PGAP2和PGAP3两种酶，研究人员构建了GPI锚定重构突变模型，使得纳米簇不能形成，从而发现由以上动态机制产生的纳米簇对于整合素介导的细胞伸展和迁移至关重要，此外即使在缺乏整合素配体的情况下，被动地交联含有长链饱和末端的GPI-AP也激活了细胞伸展，由此进一步证实细胞膜上的纳米成簇对调节整合素功能的重要性。
图2 整合素引发的功能性GPI-AP纳米簇产生模型
综上所述，本研究发现了GPI-AP通过一个由β1整合素受体与含有RGD序列的配体结合后激活的信号级联反应而产生纳米成簇的过程（图2），揭示了一个动态的肌动蛋白-膜复合物控制的分子机制，同时提示，机械-化学信号机制产生的纳米簇微环境可以调节细胞上一系列重要的效应器级联反应，从而使得细胞能够整合膜脂质双分子层上的机械和化学信号，对细胞运动产生调节作用。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.037
制版人：珂
参考文献
1. van der Goot FG, Harder T. Raft membrane domains: from a liquid-ordered membrane phase to a site of pathogen attack. Semin Immunol. 2001, 13(2):89-97.
2. Brown D A, London E. Structure and function of sphingolipid and cholesterol-rich membrane rafts. J Biol Chem, 2000, 275(23):17221～ 17224.
3. Simons K, Ikonen E. Functional rafts in cell membranes. Nature. 1997, 387:569–572.
4. Rajat Varma, Satyajit Mayor. GPI-anchored proteins are organized in submicron domains at the cell surface. Nature. 1998, 20;394(6695):798-801.
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