細(xì)胞極性是指細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上的不對(duì)稱(chēng)分布，包括頂端-基底極性（Apical-basal polarity）和平面細(xì)胞極性（Planar cell polarity，PCP）。平面細(xì)胞極性決定了生物個(gè)體中前后軸的形成，與多種生理過(guò)程相關(guān)，如體毛和鱗片的定向生長(zhǎng)、纖毛的極性分布以及胚胎發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞的會(huì)聚延伸（Convergent extension）、遷移和器官發(fā)生等。平面細(xì)胞極性的建立與細(xì)胞中兩個(gè)進(jìn)化上高度保守的核心蛋白質(zhì)復(fù)合物在細(xì)胞膜水平方向上的不對(duì)稱(chēng)分布相關(guān)，包括在細(xì)胞膜近端分布的Van Gogh-like（Vangl）-Prickle（Pk）和在細(xì)胞膜遠(yuǎn)端分布的Fizzled（Fzd）-Dishevelled-like（Dvl）。此外，PCP核心復(fù)合物還包括在細(xì)胞膜兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布的Celsr，該蛋白在相鄰細(xì)胞間形成同源二聚體促進(jìn)細(xì)胞黏附并穩(wěn)定兩個(gè)復(fù)合物的極性定位（圖1）。

圖1 平面細(xì)胞極性復(fù)合物模式圖

目前的研究認(rèn)為，組織極性主要通過(guò)Wnt濃度梯度調(diào)控（圖2）。Fzd是Wnt信號(hào)通路的重要受體，在非經(jīng)典Wnt/PCP信號(hào)通路（Non-canonical Wnt/PCP signalling ）中，F(xiàn)zd接收Wnt信號(hào)后激活下游信號(hào)通路，最終促進(jìn)細(xì)胞骨架的重組和形態(tài)變化，在調(diào)節(jié)細(xì)胞極性和促進(jìn)遷移中發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖2）。圍繞Fzd的研究已有很多，但同為PCP核心復(fù)合物的Vangl-Pk卻鮮少受到關(guān)注，其結(jié)構(gòu)特征和在PCP中的具體功能仍然不明確。

圖2 非經(jīng)典Wnt/PCP信號(hào)通路

2025年1月3日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張哲課題組和鄭鵬里課題組在Nature Communications發(fā)表了題為“Structural basis of human VANGL-PRICKLE interaction”的研究論文。該文章報(bào)道了兩個(gè)人源VANGL蛋白（VANGL1和VANGL2）以及它們與PK1蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。結(jié)合生化和細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)研究闡明了VANGL和PK蛋白相互作用的分子機(jī)制以及潛在的生物學(xué)功能。

研究團(tuán)隊(duì)首先利用冷凍電鏡解析了人源VANGL1和VANGL2蛋白的高分辨率結(jié)構(gòu)。二者均組裝成具有D3對(duì)稱(chēng)性的六聚體，首先由單體組成緊密結(jié)合的三聚體，然后兩個(gè)三聚體的胞內(nèi)域通過(guò)進(jìn)一步相互作用形成六聚體（圖3）。

圖3 VANGL六聚體結(jié)構(gòu)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：A. VANGL的六聚體結(jié)構(gòu)；B. VANGL單體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域排列示意圖；C. VANGL三聚體的組裝方式；D. VANGL跨膜域（TM）通過(guò)TM2-TM4相互作用形成穩(wěn)定的三聚體結(jié)構(gòu)；E. VANGL底部α螺旋束結(jié)構(gòu)域（HBD）通過(guò)相互作用形成了一個(gè)穩(wěn)固的三角形基底；F. VANGL三聚體二聚化界面

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了VANGL1-PK1復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，深入探究它們相互作用的分子機(jī)制。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，研究團(tuán)隊(duì)在VANGL1兩個(gè)三聚體的交界處發(fā)現(xiàn)了額外的電鏡密度，推測(cè)其可能來(lái)源于PK1蛋白（圖4 A, B）。但是，由于PK1與VANGL1的結(jié)合并不穩(wěn)定，僅僅依靠電鏡密度無(wú)法對(duì)PK1進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型搭建。因此，作者利用多種手段繼續(xù)對(duì)二者的作用機(jī)制進(jìn)行探索。首先，突變分析確認(rèn)了VANGL1蛋白利用六聚體界面處的多個(gè)堿性氨基酸殘基與PK1互作（圖4 C, E）?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)推測(cè)PK1可能借助自身帶負(fù)電的酸性氨基酸殘基，通過(guò)靜電相互作用與VANGL結(jié)合。于是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的生化和結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合AlphaFold3預(yù)測(cè)，最終定位到PK1蛋白中接近C端的46個(gè)氨基酸殘基片段PK1745-790（745—790位氨基酸殘基）在與VANGL的相互作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖4 D—F）。

為了闡釋VANGL-PK1復(fù)合物的生物學(xué)功能，研究團(tuán)隊(duì)比較了單獨(dú)的VANGL蛋白以及VANGL-PK1復(fù)合物在U2OS細(xì)胞內(nèi)的定位情況。結(jié)果顯示，VANGL單獨(dú)存在時(shí)主要定位于細(xì)胞內(nèi)的溶酶體和晚期內(nèi)體，而PK1可以定向?qū)y帶VANGL的囊泡募集到質(zhì)膜前端（圖4 G）。因此，研究團(tuán)隊(duì)指出，PK1除了作為VANGL的下游成員，負(fù)責(zé)招募其它PCP通路蛋白以外，還可能在VANGL的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸以及質(zhì)膜定位方面發(fā)揮重要作用（圖4 H）。然而，具體的分子機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

這項(xiàng)工作首次揭示了VANGL蛋白的六聚體組裝方式，并闡明了VANGL-PK相互作用的分子機(jī)制和潛在功能。這為研究PCP的建立過(guò)程以及調(diào)控機(jī)制提供了新的視角和思路。

圖4 VANGL-PK1相互作用機(jī)制：A. VANGL1-PK1與VANGL1電鏡密度圖及結(jié)構(gòu)對(duì)比；B. PK1的電鏡密度位于VANGL1六聚體界面上富含正電荷的區(qū)域；C. VANGL1與PK1相互作用的10個(gè)堿性氨基酸殘基；D. PK1與VANGL相互作用區(qū)域示意圖；E. Pull-down實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證VANGL-PK1相互作用；F. VANGL-PK1745-790電鏡密度圖；G. VANGL1和VANGL1-PK1在U2OS細(xì)胞中的定位；H. VANGL-PK1復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)的組裝模式圖

張哲、鄭鵬里為本文共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院2022級(jí)博士生宋彥儀、生命科學(xué)學(xué)院2022級(jí)博士生簡(jiǎn)舒怡為本文共同第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授滕俊琳為本研究提供了重要指導(dǎo)。此外，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺(tái)的胡君、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授朱健、以及朱健實(shí)驗(yàn)室的副研究員劉敏和科研助理馮婧均對(duì)本研究作出重要貢獻(xiàn)。

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、生命科學(xué)聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、細(xì)胞增殖與分化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院以及北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院創(chuàng)新基金的資助；并依托北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和生命科學(xué)學(xué)院公共儀器中心鳳凰工程蛋白質(zhì)平臺(tái)的技術(shù)支持。

來(lái)源：北京大學(xué)