Rho GTPase效应器组合调控细胞自发迁移行为的内在机制解析

《Nature Communications》：A Rho GTPase-effector ensemble governs cell migration behavior

本研究针对细胞在缺乏外界趋化因子时如何自主导航的关键科学问题，开发了基于相分离凝聚体的蛋白质互作检测技术INSPECT，系统解析了Rho GTPase与效应器的互作网络。研究发现Cdc42-FMNL相互作用通过限制Cdc42活性建立细胞前后极性，而Rac1-ROCK介导的弧状应力纤维形成则赋予细胞自发转向能力。该研究揭示了细胞迁移行为由Rho GTPase效应器组合精密调控的内在程序，为肿瘤转移等病理过程提供了新靶点。

　　

细胞迁移是胚胎发育、免疫应答和癌症转移等生命过程的核心环节。虽然外界信号引导的定向迁移机制已被广泛研究，但细胞在缺乏外部趋化因子时如何自主决策运动方向仍是未解之谜。Rho GTPase家族蛋白（如Rac1、Cdc42和RhoA）作为细胞骨架重排的关键调控因子，其通过效应器介导的细胞内信号网络如何协调自发迁移行为，尤其值得深入探索。

为解决这一问题，韩国科学技术院（KAIST）的Won Do Heo团队在《Nature Communications》发表了题为“A Rho GTPase-effector ensemble governs cell migration behavior”的研究。他们开发了名为INSPECT（INtracellular Separation of Protein Engineered Condensation Technique）的新型蛋白质相互作用检测技术，通过相分离凝聚体放大荧光信号，实现了单细胞水平的高通量蛋白质互作分析。

研究团队利用INSPECT技术系统筛选了15种Rho GTPase与19种细胞迁移相关效应蛋白的285对相互作用，构建了全面的互作图谱。通过聚类分析发现，Rac1和Cdc42具有高度相似的效应器结合谱，但关键差异在于Rac1特异性结合ROCK（Rho-associated coiled-coil containing protein kinase），而Cdc42偏好结合FMNL（Formin-like protein）。这一发现提示Rho GTPase通过特异性效应器组合调控迁移行为。

为验证这一假设，研究者结合化学诱导二聚化（CID）系统、基因编辑和活细胞成像等技术展开功能验证。主要技术方法包括：INSPECT互作检测、hESC（人胚胎干细胞）来源的基因敲除细胞模型构建、FRET（荧光共振能量转移）生物传感器实时监测GTPase活性、光遗传学调控及BLI（生物层干涉术）亲和力测定。

结果

1. INSPECT技术实现高通量蛋白质互作检测

通过将诱饵（bait）和猎物（prey）蛋白分别与多聚体荧光蛋白（如DsRed）和铁蛋白（ferritin）偶联，INSPECT利用相分离形成凝聚体的特性，在添加rapamycin后快速（t_1/2=2.4分钟）诱导共定位凝聚体形成。该系统可通过蛋白质相互作用指数（PI）量化互作强度，且能检测三元复合物（如Ras-Sos异源二聚体）。

2. Cdc42-FMNL互作建立细胞前后极性

全局激活Cdc42可诱导细胞自发形成前后极性，而FMNL2/3敲除细胞虽能产生片状伪足（lamellipodia, LP），但无法维持极性方向。进一步实验表明，FMNL通过限制Cdc42活性于细胞前端，促进定向迁移。值得注意的是，这种极性建立后会被Rac1激活触发的自发转向行为打破，提示细胞迁移是极性维持与随机转向的动态平衡。

3. Rac1-ROCK互作介导弧状应力纤维形成与自发转向

激活Rac1可诱导前端弧状应力纤维（arc stress fiber, SF）形成，该过程依赖ROCK介导的肌球蛋白轻链磷酸化（p-MLC）和Arp2/3复合物驱动的分支状肌动蛋白聚合。通过构建Rac1F37W突变体（特异性破坏ROCK结合但不影响其他效应器），研究者发现该突变细胞无法形成弧状应力纤维，迁移方向性显著增强，但丧失环境适应性。机制上，Rac1-ROCK互作通过将Rac1招募至黏着斑（focal adhesion），抑制过度伪足形成，同时促进YAP（Yes-associated protein）核转位以响应基质刚度变化。

4. 前端ROCK富集与自发转向相关

利用CRISPR/Cas9构建的ROCK1-GFP敲入细胞系显示，在细胞转向时，ROC1在前端 protrusion 后方15μm区域内富集，且其强度与转向频率正相关。弧状应力纤维在转向时可转化为腹侧应力纤维，实现细胞骨架重构的能量高效利用。

结论与意义

本研究揭示了细胞迁移行为由Rho GTPase-效应器组合精密调控的内在程序：Cdc42-FMNL模块负责建立和维持细胞极性，而Rac1-ROCK模块通过弧状应力纤维生成赋予细胞自发转向能力和环境适应性。这种“极性-随机性”双模块调控机制，不仅解释了细胞在无外界线索下的自主导航策略，还为靶向迁移相关疾病（如肿瘤转移）提供了新思路。INSPECT技术的高通量、高特异性优势，也为蛋白质互作研究提供了强大工具。