张明杰：细胞不对称分裂的奥秘

　　

生物通报道：来自香港科技大学分子神经学中心，复旦大学化学系上海市分子催化与创新材料重点实验室等处的研究人员深入分析了细胞不对称分裂过程中，关键蛋白质复合物中蛋白的相互作用，为细胞不对称分裂这一近年来干细胞和肿瘤生物学研究的热点领域提出了新的见解，这一研究成果公布在Cell出版社旗下的著名刊物：《Molecular Cell》杂志上。

   文章的通讯作者是来自香港科技大学的张明杰教授，以及复旦大学的王文宁教授，为了更深入了解这项重要的成果，生物通特联系了张明杰教授，就读者感兴趣的问题请教了他。

细胞不对称分裂关键蛋白质复合物

   多细胞生物的发育是从一个受精卵分化成各种不同类型细胞的过程。细胞多样性形成的基础是细胞的不对称分裂。细胞不对称分裂是指母细胞在分裂过程中将细胞命运决定因子（蛋白质，RNA）不对称分配到两个子细胞中，产生两个不同命运的子细胞。对于细胞不对称分裂的研究是近年来干细胞和肿瘤生物学研究的热点领域之一。

   人们对细胞不对称分裂分子机制的研究表明，细胞不对称分裂过程大致可以分成三个阶段：细胞极性的建立与维持；纺锤体的旋转定向；细胞命运决定因子的分离。Par3/Par6/aPKC蛋白质复合物参与建立与维持细胞的极性。NuMA/LGN/Gαi蛋白质复合物参与调控纺锤体定向。支架蛋白mInscuteable (mInsc) 连接Par3/Par6/aPKC和NuMA/LGN/Gαi蛋白质复合物。因此这些蛋白质复合物在细胞不对称分裂过程中扮演了重要的角色。

结构生物学解析生命奥秘

   之前的研究曾在无脊椎动物实验中证实，借助衔接蛋白mInscuteable (mInsc)连接的 Par3/Par6/aPKC复合体和NuMA/LGN/Gαi复合体在细胞的不对称分裂过程中发挥关键性的作用，然而对于LGN与NuMA和mInsc相互作用的分子机制目前还不是很清楚。

   在这篇文章中，张教授课题组深入研究表征了LGN与NuMA，LGN与mInsc之间的相互作用。他表示，“LGN共有七个典型的TPR重复序列，NuMA与LGN的结合需要所有TPR重复序列的参与，NuMA的C端约27个氨基酸残基参与结合LGN。通过X-射线晶体衍射方法，我们得到了高分辨率的TPR结构域和NuMA肽段复合物的晶体结构。”

   结构显示LGN的TPR结构域全部由α螺旋组成，互相堆叠形成超螺旋结构。NuMA肽段呈现伸展的构像，结合在TPR超螺旋的凹面一侧，主要是氢键和静电相互作用。对LGN与mInsc的相互作用表征发现，TPR4-7的区域是结合mInsc的主要位点，而mInsc通过N端约22个氨基酸残基的区域与TPR相互作用，二者的结合强度与NuMA/LGN相似。LGN-TPR47与mInsc N端肽段的复合物晶体结构显示，mInsc肽段形成一段α螺旋结合在TPR4-7的凹面一侧，以疏水相互作用为主。有趣的是，尽管NuMA，Insc与LGN结合强度一样，在竞争结合实验中研究人员发现，NuMA和mInsc不能同时结合TPR 。

   mInsc优先结合LGN。结构生物学很好的解释了竞争实验的分子机制，NuMA与mInsc在TPR上的结合区域有重叠部分，NuMA与TPR的结合是很多分散的弱结合区域协同作用；而mInsc与TPR的结合位点比较集中，因此mInsc很容易在局部取得结合优势，部分结合位点被阻断大大削弱了NuMA的结合强度，导致mInsc优先结合LGN。进一步的细胞生物学实验验证了以上生物化学和结构生物学实验的数据，在MDCK细胞中，mInsc能够阻断NuMA和LGN的相互作用，并且造成纺锤体的错误定向以及组织发育的缺陷。

   因此，这项研究工作表明调节细胞极性和纺锤体定向的复合物Par3/mInsc/LGN 和NuMA/LGN/Gαi有着相对独立的功能。Par3/Par6/aPKC/mInsc首先在细胞顶部皮层定位建立细胞极性，LGN通过与mInsc的作用被定位到细胞顶部皮层。LGN与NuMA的相互作用可以为星状微管在皮层的锚定提供介导作用，在NuMA-Dynein-Dynactin蛋白质复合物的协同作用下完成纺锤体的定向。由于mInsc优先结合LGN，因此LGN与NuMA结合的前提就是mInsc/LGN蛋白质复合物解离。解离的机制可能是mInsc的降解，或者后修饰调控等等。张教授表示这方面的相关研究将是他们课题组下个阶段的重要内容。

结构生物学发展前景

   这项研究利用生物化学，结构生物学以及细胞生物学等手段和方法研究细胞不对称分裂调控机制的生物化学及结构基础。其中结构生物学技术是切入点，张教授是这一领域的领衔科学家，当谈到结构生物学方法的优点的时候，他说，“通过X-射线衍射得到的高分辨率的蛋白质复合物晶体结构能够在分子、原子水平上揭示相关信号通路中关键蛋白和蛋白复合物的组织和活性调节的原理。”

   “结构生物学近年发展迅猛，蛋白质晶体学，NMR等主要手段已经广泛应用到生物学的各个领域。以结构生物学为工具，在分子及原子水平揭示生命过程中相关信号通路的分子机制是未来结构生物学发展的方向。近年来国内的生物学特别是结构生物学研究发展迅速，许多工作发表在国际顶尖的学术杂志上，展现了中国结构生物学研究的蓬勃生机。希望结构生物学在解决一系列生命领域重大基础科学问题中发挥重要作用，帮助人类更好理解生命现象本质。同时也希望更多的年轻人能够投入到这项有意义的事业中来。”

欲了解张明杰教授研究组更多信息，请查看：http://bcz102.ust.hk/

（生物通：王蕾）

原文摘要：
LGN/mInsc and LGN/NuMA Complex Structures Suggest Distinct Functions in Asymmetric Cell Division for the Par3/mInsc/LGN and Gαi/LGN/NuMA Pathways

Highlights
Structures of LGN/NuMA and LGN/mInsc complexes are solved
mInsc and NuMA compete for LGN binding
mInsc can displace NuMA from LGN
mInsc cannot couple the Par3/Par6/aPKC and LGN/NuMA/Gαi complexes together physically

Summary
Asymmetric cell division requires the establishment of cortical cell polarity and the orientation of the mitotic spindle along the axis of cell polarity. Evidence from invertebrates demonstrates that the Par3/Par6/aPKC and NuMA/LGN/Gαi complexes, which are thought to be physically linked by the adaptor protein mInscuteable (mInsc), play indispensable roles in this process. However, the molecular basis for the binding of LGN to NuMA and mInsc is poorly understood. The high-resolution structures of the LGN/NuMA and LGN/mInsc complexes presented here provide mechanistic insights into the distinct and highly specific interactions of the LGN TPRs with mInsc and NuMA. Structural comparisons, together with biochemical and cell biology studies, demonstrate that the interactions of NuMA and mInsc with LGN are mutually exclusive, with mInsc binding preferentially. Our results suggest that the Par3/mInsc/LGN and NuMA/LGN/Gαi complexes play sequential and partially overlapping roles in asymmetric cell division.

作者简介：
张明杰 香港科技大学生物化学系讲座教授
从事的学科领域: 生命科学与生物技术
专业: 结构生物学

主要研究方向: 神经系统结构生物学、NMR、X-ray

现在进行的研究课题: 神经细胞信号传导及发育的结构生物学

获成果/奖励情况:
——国家杰出青年基金
——The Croucher Foundation Senior Fellow Award（2003）
--- 2006年国家自然科学奖二等奖

主要学术贡献创新思想:
张明杰博士1988年复旦大学化学系本科毕业，1993年加拿大Calgary大学生物学系获生物化学博士学位。1994－1995于加拿大安大略癌症研究所从事博士后研究。1995年起任香港科技大学生物化学系助理教授。现为香港科技大学生物化学系讲座教授。研究领域为神经细胞讯号传导及神经发育的结构生物学和生物化学机理。他的调控神经细胞信号传递及神经系统发育的一系列蛋白质的结构和功能的研究成果，对于治疗神经系统衰退的疾病，如中风及老年痴呆症等，有着极为重要的影响。近年来在Cell, Science, Nature Struct. Biol., Mol Cell, EMBO J., PNAS等杂志发表论文100余篇。仅2011年就发表了1篇Cell, 1篇Science， 2 篇 Mol Cell, 1篇PNAS, 1篇EMBO J. 其培养的学生和博士后有很大一部分已经在世界各地建立了他们独立的研究组。