Cell Death Differ丨USP21介导的NuMA去泛素化确保有丝分裂纺锤体的正确定向

有丝分裂纺锤体的旋转定向在决定细胞分裂方向中发挥关键作用，并通过空间调控细胞命运决定因子的分配，指导干细胞命运、维持组织结构，并支持组织稳态与修复【1】。在上皮组织中，准确的纺锤体定向对于维持单层上皮完整性【2】、驱动复层上皮形成【3】、调控管腔直径【4】以及促进组织高效修复【5】均具有重要意义。调控纺锤体定向的分子机器主要锚定于细胞皮层，通过协调牵引力来促进纺锤体旋转【6】。这些分子机器能够将纺锤体排列至特定方向，从而保证细胞命运决定因子的准确分配【7】。近年来，泛素化修饰逐渐被认为是调控纺锤体定向相关蛋白定位、稳定性及相互作用网络的重要机制【8】。尽管已有多种E3泛素连接酶被认为参与这一过程，例如后期促进复合体/环体【 9】和基于Cullin-3的E3泛素连接酶【10】，但去泛素化酶在调控皮层定位的纺锤体定向分子机器中的作用仍知之甚少。去泛素化修饰如何与有丝分裂时序以及皮层分子机器的结构动态相协调，仍有待进一步阐明。

近日，南开大学/山东师范大学周军团队在 Cell Death & Differentiation 杂志上发表了题为 USP21-mediated deubiquitylation stimulates NuMA recruitment to the cell cortex to promote mitotic spindle orientation 的文章。该研究发现，去泛素化酶USP21能够通过去除纺锤体定向分子机器核心组分NuMA的K63类型泛素化修饰，促进NuMA募集至细胞皮层，进而维持纺锤体定向分子机器的正确组装。该发现揭示USP21通过调控纺锤体定向，在维持上皮组织结构、组织重塑和发育稳态中发挥重要作用。

为了寻找新的纺锤体定向调控因子，研究人员首先利用公开数据集，比较了对纺锤体定向需求较高与较低的细胞类型中的基因表达差异。分析结果显示，USP21在相关细胞群体中具有特殊的表达和定位特征。由于 USP21 兼具中心体结合结构域和微管结合结构域，研究人员推测其可能参与有丝分裂过程中与细胞骨架相关的调控事件。

为了进一步验证USP21在体内的功能，研究人员对Usp21敲除小鼠进行了组织学分析。结果发现，Usp21缺失会导致多种上皮组织出现异常表型，例如角膜上皮分层延迟、肾小管延长阶段出现管腔异常扩张，以及皮肤损伤后伤口愈合明显延迟。这些结果提示，USP21对于上皮组织结构建立、形态维持以及损伤修复具有重要作用。进一步研究表明，这些组织异常与纺锤体定向缺陷密切相关。在角膜上皮、肾小管上皮以及皮肤伤口修复过程中，Usp21缺失均导致细胞分裂方向发生异常。

那么，USP21是如何调控纺锤体定向的呢？为了解析其分子机制，研究人员通过免疫沉淀结合质谱筛选 USP21 的互作蛋白，发现NuMA是其中最关键的候选分子之一。随后，研究人员通过免疫荧光、免疫共沉淀以及体外下拉实验，证明USP21能够与NuMA发生直接相互作用。机制上，研究发现USP21能够去除NuMA上的K63类型泛素化修饰。与通常介导蛋白降解的K48类型泛素化不同，K63类型泛素化更多参与蛋白相互作用、信号转导和亚细胞定位。该研究表明，USP21对NuMA的K63类型去泛素化是通过改变NuMA的定位和相互作用状态，控制在皮层定位的纺锤体定向调控复合体的形成。进一步实验显示，USP21缺失不影响NuMA在中心体的定位，但却显著削弱NuMA在细胞皮层的富集。随着NuMA皮层定位受损，动力蛋白复合体在细胞皮层的募集也相应减少，最终导致纺锤体无法正确响应细胞黏附和组织结构的空间变化。研究人员还发现，在USP21缺失条件下，NuMA与LGN的相互作用减弱，而与动力蛋白的相互作用异常增强。结合AlphaFold3结构预测，研究提出，NuMA持续的K63类型泛素化可能诱导其构象改变，使其无法被LGN有效募集至细胞皮层。

这项研究拓展了对纺锤体定向调控机制的认识，表明非降解型泛素化修饰在有丝分裂空间调控中发挥作用，提示这种修饰可能是协调细胞皮层定位、微管牵拉力和组织形态建成的重要机制。此外，由于纺锤体定向异常与上皮发育缺陷、组织结构紊乱和修复障碍密切相关，该研究为理解相关疾病的发生机制提供了新的思路。

南开大学博士生胡明峥以及山东师范大学博士生马慧娴和王如娜为论文的共同第一作者。南开大学/山东师范大学周军教授为通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41418-026-01786-7

制版人：十一

参考文献

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4.Bonucci M, Kuperwasser N, Barbe S, Koka V, de Villeneuve D, Zhang C, et al. mTOR and S6K1 drive polycystic kidney by the control of Afadin-dependent oriented cell division.Nature Communications.2020; 11:3200.

5.Xia J, Swiercz JM, Bañón-Rodríguez I, Matković I, Federico G, Sun T, et al. Semaphorin-plexin signaling controls mitotic spindle orientation during epithelial morphogenesis and repair.Developmental Cell.2015; 33:299-313.

6.Anjur-Dietrich MI, Hererra VG, Farhadifar R, Wu H, Merta H, Bahmanyar S, et al. Mechanics of spindle orientation in human mitotic cells is determined by pulling forces on astral microtubules and clustering of cortical dynein.Developmental Cell.2024; 59:2429-42.

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9.Alfieri C, Chang L, Zhang Z, Yang J, Maslen S, Skehel M, et al. Molecular basis of APC/C regulation by the spindle assembly checkpoint.Nature.2016; 536:431-6.

10. Moghe S, Jiang F, Miura Y, Cerny RL, Tsai MY, Furukawa M. The CUL3‐KLHL18 ligase regulates mitotic entry and ubiquitylates Aurora‐A.Biology Open.2011; 1:82-91.

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