平面细胞极性信号通路的细胞自主极化机制及其反馈调控研究

《Nature Communications》：Cell autonomous polarization by the planar cell polarity signaling pathway

本研究揭示了平面细胞极性（PCP）信号通路中细胞自主极化的新机制。通过构建无法进行细胞间极性信息传递的“离线”细胞模型，作者发现即使缺失Flamingo（Fmi）介导的细胞间通信，果蝇翅细胞仍能通过细胞内正负反馈通路自主极化。研究进一步利用“Velcro”技术验证了Frizzled（Fz）与Dishevelled（Dsh）的相互招募（正反馈）及Fz对Prickle（Pk）的排斥（负反馈），并证明Dsh依赖的聚类是负反馈的必要条件。该工作表明PCP信号的核心逻辑更接近单细胞极化系统，为理解多细胞组织极性建立提供了新视角。

　　

在多细胞生物发育过程中，细胞如何沿组织平面方向有序排列并协调极性是一个基础性科学问题。平面细胞极性（Planar Cell Polarity, PCP）信号通路通过调控细胞极化参与胚胎发育、器官形成等关键生理过程，其异常与多种先天性疾病相关。尽管已知PCP核心蛋白（如Flamingo、Frizzled、Van Gogh等）会形成不对称亚复合物并通过细胞间通信协调极性，但细胞自身是否具备独立极化的能力，以及驱动极化的反馈机制是否依赖细胞间相互作用，仍是领域内长期未解的核心争议。

为回答这一问题，斯坦福大学医学院病理学系的Alexis T. Weiner、Silas Boye Nissen等人在《Nature Communications》发表研究，通过创新性工具阻断细胞间PCP信号传递，发现果蝇翅细胞在缺失Fmi或表达无法形成同源二聚体的Fmi突变体（Fmi△cad）时，仍能自主极化并形成不对称蛋白分布。研究进一步揭示细胞内存在由Fz招募Dsh（正反馈）和Fz排斥Pk（负反馈）构成的反馈环路，且该机制在缺乏细胞间通信时依然有效。这些发现表明PCP信号的内在逻辑更接近酵母、中性粒细胞等单细胞极化系统，挑战了“PCP极化完全依赖细胞间通信”的传统认知。

研究主要采用以下关键技术：

1. 1.
   离线细胞模型构建：利用Fmi基因敲除（fmi^E59/fmi^E45）或表达Fmi△cad突变体，结合神经特异性QF2-1407启动子挽救中枢神经系统Fmi表达，实现翅细胞中Fmi功能特异性缺失。
2. 2.
   蛋白质定位可视化：通过Vang::YFP和Fz::YFP转基因标记，结合共聚焦显微镜和全内反射荧光（TIRF）成像，定量分析蛋白极化程度。
3. 3.
   Velcro技术：利用N-Cadherin融合蛋白（N-Cad::V5-Fz或N-Cad::HA-3DX）在克隆细胞中强制局部化Fz或Dsh，检测其对其他PCP组分的招募或排斥作用。
4. 4.
   遗传互作分析：引入dsh^G63D聚类缺陷突变体，验证Dsh依赖的聚类在反馈中的作用。

研究结果

离线细胞仍能极化

在野生型果蝇翅中，Vang和Fz蛋白分别位于细胞近端和远端边界，形成典型不对称分布。而在离线（fmi缺失）背景下，虽然组织整体极性紊乱，单个细胞内的Vang::YFP和Fz::YFP仍呈现明显不对称定位，且毛发（prehair）生长方向与蛋白分布一致（如毛发位于Fz富集侧）。通过极化评分（信号强弱侧比值）定量证实离线细胞极化能力虽弱于野生型，但显著高于随机分布水平。

PCP信号中的反馈机制

通过Velcro实验，作者发现强制局部化Fz可招募Dsh，而局部化Dsh也能招募Fz，提示二者存在正反馈互作。同时，局部化Fz会排斥Pk，使其从细胞边界进入胞质，且该排斥作用在离线细胞中依然存在，表明负反馈具有细胞自主性。值得注意的是，在dsh^G63D突变背景下，Fz丧失排斥Pk的能力，反而与Pk共定位，说明Dsh介导的聚类是负反馈的必要条件。

G63D突变体中Velcroed Fz（红色）与Pk（绿色）共定位（箭头）'>

Fmi非极化必需支架

尽管Fmi被认为是通过同源二聚体支架化PCP复合物的核心，但离线细胞仍能形成蛋白聚类并极化，表明其他PCP组分（如Fz、Vang、Dsh、Pk）在无Fmi时仍保有相互作用能力。Fmi可能起辅助作用，而非极化绝对依赖因子。

结论与意义

本研究通过严谨的遗传学与成像分析证明，PCP信号通路具备细胞自主极化能力，其核心机制依赖于细胞内Fz-Dsh正反馈和Fz-Pk负反馈环路。这些反馈机制在缺失细胞间通信时仍可运作，且Dsh依赖的聚类是实现不对称分布的关键。这一发现将PCP与单细胞极化系统（如酵母Cdc42通路）在逻辑上联系起来，为理解多细胞组织极性建立的演化基础提供了新范式。此外，研究提出的“竞争性结合模型”（Dsh与Pk竞争结合Vang）为解释PCP复合物初始对称打破提供了分子机制层面的见解。未来工作需进一步解析反馈通路的生化基础及其在脊椎动物系统中的保守性。