Cell：如何让细胞“晕头转向”

来自德州大学西南医学中心等处的研究人员发表了题为“Identification of F-actin as the Dynamic Hub in a Microbial-Induced GTPase Polarity Circuit”的文章，开发了一种能预测引发食物中毒的细菌如何干扰细胞方向感的新方法，并在活细胞中证实了这一方法。相关成果公布在Cell杂志上。

　　

生物通报道：来自德州大学西南医学中心等处的研究人员发表了题为“Identification of F-actin as the Dynamic Hub in a Microbial-Induced GTPase Polarity Circuit”的文章，开发了一种能预测引发食物中毒的细菌如何干扰细胞方向感的新方法，并在活细胞中证实了这一方法。相关成果公布在2月17日Cell杂志上。

文章的通讯作者是德州西南医学中心的Neal M Alto博士，这位科学家曾与北京生命科学研究所柴继杰合作，共同揭示了来自一类细菌毒性因子大家族的Map通过模拟GEF活性实现其功能，并提出了这类家族成员对不同GTPase的选择模型。

对于这项最新成果，Alto博士表示，“这是不同领域科学家共同解决一个复杂重要的生物学问题的范例。”

在一些基础性生物过程中，细胞需要定位方向，比如空间分隔的生化反应，比如免疫细胞追击病原菌等。而且更为重要的是，细胞方向感受到干扰就会导致机体生病。这项最新研究提出了一个新模型，能帮助解释哺乳动物细胞如何建立其方向感的，以及引发疾病的大肠杆菌如何攻击细胞方向感的。

这项成果汇集了不同领域科学家的长处，最初的构想是构建一个数学模型，用以解释细胞在大肠杆菌感染后的应答，并在活细胞中进行检测验证。“细菌就像打针一样将蛋白分子注入到人类细胞中”，Alto博士说，“人类细胞作出应答，在细菌附着处，形成肌动蛋白富集膜突起。”

对于健康细胞的正常移动，这些肌动蛋白聚合物会向细胞膜推进，推动细胞朝着以一个方向，或者另外的方向移动。而当大肠杆菌分子注入后，肌动蛋白聚合物则冲向感染位点，帮助细菌分子在细胞内移动，建立一个内部的感染位点。

文章的第一作者Robert Orchard说，“为了解答‘病原菌如何从细胞外调控宿主细胞内的肌动蛋白动力学’这一问题，我们揭示了一个有关哺乳动物细胞极性和细菌感染的基础性分子机制。这些发现将有助于更深入了解治病因素，与正常哺乳动物行为的调控。”

（生物通：张迪）

原文摘要：

Identification of F-actin as the Dynamic Hub in a Microbial-Induced GTPase Polarity Circuit

Polarity in mammalian cells emerges from the assembly of signaling molecules into extensive biochemical interaction networks. Despite their complexity, bacterial pathogens have evolved parsimonious mechanisms to hijack these systems. Here, we develop a tractable experimental and theoretical model to uncover fundamental operating principles, in both mammalian cell polarity and bacterial pathogenesis. Using synthetic derivatives of the enteropathogenic Escherichia coli guanine-nucleotide exchange factor (GEF) Map, we discover that Cdc42 GTPase signal transduction is controlled by the interaction between Map and F-actin. Mathematical modeling reveals how actin dynamics coupled to a Map-dependent positive feedback loop spontaneously polarizes Cdc42 on the plasma membrane. By rewiring the pathogenic signaling circuit to operate through β-integrin stimulation, we further show how Cdc42 is polarized in response to an extracellular spatial cue. Thus, a molecular pathway of polarity is proposed, centered on the interaction between GEFs and F-actin, which is likely to function in diverse biological systems.