Nat Cell Biol | Elizabeth Chen/路悦揭示分叉丝状肌动蛋白形成入侵突刺的分子及细胞机制

入侵突刺在众多生理和病理过程中发挥着至关重要的作用，例如细胞-细胞融合（cell-cell fusion）， 免疫突触成熟 （immunological synapse maturation） ，白血球内皮细胞层穿越 （leukocyte transendothelial migration） 以及癌细胞转移 （cancer metastasis） 。与丝状伪足 （filopodia） 不同，入侵突刺由分叉丝状肌动蛋白 （branched actin filaments） 驱动且坚硬 （mechanically stiff） 。但是，结构松散的分叉丝状肌动蛋白如何形成手指状坚硬的入侵突刺仍是多年来的未解之谜。

2024年11月1日， 德克萨斯大学西南医学中心 （University of Texas Southwestern Medical Center） 的Elizabeth Chen课题组在Nature Cell Biology在线发表了题为“Spatiotemporal coordination of actin regulators generates invasive protrusions in cell-cell fusion”的研究论文。以小鼠骨骼肌前体细胞 （myoblasts） 的融合突触 （fusogenic synapse） 为模型，首次报道了分叉丝状肌动蛋白如何形成入侵突刺的分子及细胞机制。

在骨骼肌发育与再生过程中，单核的肌肉前体细胞之间的融合是形成具有收缩功能的肌纤维 （myofiber） 的关键步骤。Elizabeth Chen教授团队于2010年在对果蝇肌肉发育的研究中首次报道肌细胞之间的融合始于不对称融合突触 （asymmetric fusogenic synapse） ：其中一个肌细胞表面会产生基于丝状肌动蛋白的手指状突刺 （actin propelled invasive finger-like protrusions） 入侵其融合伙伴细胞。这些突刺会增加细胞膜的接触面积，缩小细胞膜之间的距离，和增加细胞的皮质张力 （mechanical tension） ，最终促进细胞膜的合并而完成两个细胞的融合。2022年，该团队在斑马鱼模型中发现脊椎动物肌细胞运用类似的丝状肌动蛋白驱使的手指状突刺促进细胞融合， 证明这是在进化过程中保守的机制。Elizabeth Chen实验室也发现了多种肌动蛋白调控蛋白，例如肌动蛋白成核促使因子 （nucleation-promoting factors ） WASP和WAVE，分叉丝状肌动蛋白聚合因子Arp2/3复合物以及肌动蛋白捆束蛋白 （actin bundling protein） dynamin，均在手指状突刺形成和细胞融合过程中发挥着非常重要的作用。但这些众多蛋白如何相互合作来促进不对称融合突触的生成仍是未知的。

在这项研究中，Elizabeth Chen团队用高分辨率活体细胞成像 （high resolution live cell imaging）清晰地捕捉到哺乳动物肌肉前体细胞融合时形成的手指状入侵突刺。随后通过在体外肌肉前体细胞中运用RNA干扰和基因敲除，以及通过创造数个基因敲除小鼠模型发现肌动蛋白成核促使因子N-WASP，WAVE2，N-WASP相互作用蛋白WIP2，以及分支丝状肌动蛋白聚合因子Arp2/3复合物是手指状入侵突刺的形成和小鼠肌肉前体细胞融合必须的调控蛋白。 利超高分辨率显微镜 （super resolution microscopy） ，电镜以及体外生化实验，作者们发现两个肌动蛋白成核促使因子N-WASP和WAVE2 在入侵突刺形成过程中呈现不同的位置分布：WAVE2分布在突刺结构前沿 （leading edge） 与细胞膜紧密相邻，而N-WASP/WIP2复合物富集在突刺的主轴 （shaft） 上。与此对应，WAVE与 N-WASP/WIP2在突刺形成过程中的作用也截然不同。另外，在突刺形成 （initiation） 以及增长 （growth） 过程中，Arp2/3复合物首先聚合肌动蛋白形成松散的分叉丝状结构 （low density branched actin clouds） 。随后，该结构中的丝状肌动蛋白分支被dynamin捆束成肌动蛋白束 （actin bundles） 。该团队曾于2020的论文中展示 dynamin 螺旋结构可以在螺旋外沿同时捆束12-16肌动蛋白丝。但dynamin捆束肌动蛋白丝是瞬时的， 在成熟的肌动蛋白束上，dynamin螺旋结构会通过水解GTP解聚，导致已被初步捆束的肌动蛋白丝松散化， 从而需要别的肌动蛋白捆束蛋白来进一步稳定肌动蛋白束。非常有趣的是，作者们初次发现WIP2具有很强的捆束丝状肌动蛋白的功能，这些dynamin螺旋结构解聚后导致的松散丝状肌动蛋白丝随后会被WIP2再次捆束成稳定且坚固的肌动蛋白束，从而可以推动细胞膜形成指状突刺。因此，细胞为构建分叉丝状肌动蛋白驱动的手指状入侵突刺， 需要两个肌动蛋白成核促使因子WASP和WAVE，以及两个肌动蛋白捆束蛋白dynamin和WIP在时空两方面的精密合作。由于入侵突刺不仅在细胞融合，而且在癌症和免疫过程中有重要作用，此论文发现的分子机制可能在众多细胞入侵突刺的形成过程中广泛存在。

图：丝状肌动蛋白富集的手指状入侵突刺形成的分子机制

德克萨斯大学西南医学中心的路悦博士为论文的第一作者，Elizabeth Chen教授为论文的通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41556-024-01541-5

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