细胞骨架反馈环路调控信号转导兴奋性与细胞极性的互补机制

本研究揭示了细胞骨架与信号转导网络间的双向调控机制。研究人员通过合成生物学工具操控Dictyostelium和人类中性粒细胞的细胞骨架组分，发现分支状肌动蛋白（Arp2/3）和肌球蛋白II（myosin II）分别通过正/负反馈环路调控Ras/PI3K信号通路兴奋性，并建立计算模型预测细胞迁移行为。该研究为理解细胞在复杂环境中整合化学-机械信号提供了新范式。

　　

在生命活动中，细胞如何协调化学信号与机械力刺激来指导迁移，一直是细胞生物学领域的核心问题。当免疫细胞穿越血管壁追捕病原体，或癌细胞浸润正常组织时，它们需要实时整合外界信号与内部力学状态。尽管已知Ras/PI3K等信号通路调控细胞骨架重组，但细胞骨架动态变化如何反向影响信号网络的机制仍不明确。这种双向对话的缺失，限制了人们对细胞迁移可塑性的理解。

美国约翰斯·霍普金斯大学医学院的Jonathan Kuhn团队在《Nature Communications》发表的研究，通过精巧的合成生物学干预和定量建模，揭示了细胞骨架对信号转导的反馈调控机制。研究人员采用化学诱导二聚化（CID）和光遗传学工具实时操控Dictyostelium和人类中性粒细胞（dHL60）的细胞骨架组分，结合计算模拟系统解析了分支状肌动蛋白网络与皮质肌球蛋白网络的互补反馈作用。

关键技术包括：1）构建膜定位的RacE鸟苷酸交换因子（GEF）光控系统；2）开发肌球蛋白重链激酶C（MHCKC）快速诱导解聚工具；3）利用Arp2/3抑制剂CK666和肌动蛋白解聚剂latrunculin进行急性干预；4）建立整合双反馈环路的信号转导兴奋性网络（STEN）计算模型。

互补的细胞骨架反馈环路控制信号网络

通过敲除肌动蛋白结合蛋白（actobindin）增加游离肌动蛋白单体，发现分支状肌动蛋白网络通过正反馈增强Ras活性；而抑制Arp2/3或激活RacE促进线性肌动蛋白交联时，Ras/PI3K信号被显著抑制。

肌球蛋白II的机械抑制效应

急性解聚肌球蛋白II双极细丝（BTF）使细胞对趋化因子cAMP敏感性提升10倍，证实皮质肌球蛋白网络通过负反馈提高信号激活阈值。在肌球蛋白II缺失细胞中，Arp2/3抑制导致的信号阻断效应被显著缓解。

RacE的时空调控特性

光控激活RacE可局部抑制Ras波传播，但意外诱导出Arp2/3非依赖的伪足突起，显示皮质骨架重构具有独立于经典信号的形态发生能力。

计算模型的预测价值

新模型成功预测细胞迁移轨迹随反馈强度变化的双相响应：在低极性状态下增强分支状肌动蛋白反馈可提升运动持续性，而在高极性状态下同样操作反而导致极性丧失。

这项研究建立了细胞骨架-信号网络互作的核心理论框架：1）分支状肌动蛋白通过Arp2/3-Ras正反馈环路促进前端信号；2）皮质肌球蛋白网络通过力学抑制形成空间互补的负反馈；3）RacE介导的线性肌动蛋白重构可独立调控细胞形态。这种双向调控机制解释了细胞如何动态平衡化学趋化性与机械敏感性，为理解免疫应答、胚胎发育和肿瘤转移中的细胞可塑性提供了新视角。研究揭示的靶点（如RacE、MHCKC）可能成为干预病理性细胞迁移的新策略。