膜结合的Cdc42(绿色表示)是酵母细胞极性的一种关键性调节物。微丝引导的一种过程导致Cdc42分子在酵母细胞出芽发生的地方聚集。图片来自Sarah Smith, Stowers Institute for Medical Research。
人们通常认为细胞从各个方向来看倾向差不多都是一样的。但是实际上，细胞有前后上下之分，并且按照一定的极性将它们自身的很多结构进行定位，这就解释了为什么酵母细胞在一端而不是另一端出芽增殖。
在过去几年，来自美国斯托瓦斯医学研究所(Stowers Institute for Medical Research)的Rong Li博士和她的研究小组解决了关于酵母建立细胞极性(cell polarity)的基础生物化学机制的很多重要性细节。如今，研究小组利用尖端的显微镜技术和高等数学知识发现了一种令人吃惊的新研究发现。这些研究结果发表在2012年3月那期《自然-细胞生物学》期刊上。研究员Arupratan Das、Rong Li和他们的5名同事在酵母中发现一种酶通过将称作磷脂的分子从细胞膜外层移到内层就足以改变它的极性。
更重要的是，参与这种错综复杂机制的所有分子不仅在酵母中发现，而且也在哺乳动物细胞中发现。这就提供新的方法来探索细胞极性是如何在诸如肝细胞之类的细胞中构建的以及这种机制发生故障是否能够导致疾病产生。Li解释道，“细胞极性对于极大多数细胞的特殊功能是至关重要的。我们的发现可能获得这种机制的很多线索。我们正希望其他人将注意到我们的发现，并将之应用到他们研究的细胞。”
几十年之前，科学家一直认为细胞极性可能是由外部信号造成的---比如细胞外空间定位化学信号(spatially localized chemical signal)指示细胞如何移动和发挥作用。然而，研究人员也早就注意到没有这些定位的信号，细胞仍然能够产生极性，这就意味着酵母细胞产生极性和出芽增殖的能力是天生的。
Li领导的研究小组发现这种内在过程的重要线索。一种称作Cdc42的分子嵌入在细胞膜中并作为该过程的一种关键性调节物而起作用。在没有发生极性的细胞中，Cdc42在细胞膜中是随机分布的。它也在细胞内四处游动。
当被激活时，Cdc42促进微丝(microfilament)形成骨架，而这种骨架引导自由移动的Cdc42游向已嵌入细胞膜中的Cdc42。细胞膜的一些部分要比其他部分含有较多的Cdc42，这是因为微丝引导的Cdc42移动过程导致这种分子在这些区域聚集。最终，酵母细胞在它出芽增殖的地方含有高浓度的Cdc42。
当然，实际情形并不是如此简单。细胞膜结合的Cdc42能够扩散而从膜上脱离，但是也能够被一种称作Rdi1的分子从膜上拉下来，然后被细胞回收从而回到它们以前所在的位置。Cdc42的回收速度最终决定了它在膜上的聚集区域的大小，从而直接影响酵母细胞向外生长的出芽形状。较快的Cdc42循环速度导致细胞产生较小的聚集区域，而较慢的循环速度导致细胞产生较大的聚集区域。在2009年的一篇论文中，Li领导的研究小组证实这种循环过程既能够很快地发生，也能够很慢地发生。
因此，是什么控制Cdc42从膜上脱离和Cdc42循环利用的速度？Li和她的同事们通过寻找一些当敲除时会影响这些速度的基因而解决了这种问题。他们发现一种基因会减慢这些速度。这让人大吃一惊。Li说，“这不是我们当初想象的那样。”事实上，她起初甚至不确定她所在的研究小组是否找到这种基因。这是因为该基因编码一种足以将脂质从细胞膜的一边翻转到另一边的脂质翻转酶(lipid flippase)。她说，脂质是“确实难缠，而且很难研究。”然而Arupratan Das愿意泰然处之。Li说，“我不得不赞扬Arupratan Das，因为他很勇敢地面对。”
Das和他的同事们利用顶尖的荧光涨落谱方法(Fluorescence Fluctuation Spectroscopy)能够在活酵母细胞中绘制分子的运动，找出这种脂质翻转酶所起的作用。这就是他们发现的结果：
靠近Cdc42分子的一端存在一块带净正电荷的区域。细胞膜带负电荷。因此，Cdc42的带正电荷的这块区域让Cdc42分子靠近细胞膜，从而允许Cdc42分子一端的脂锚钩(lipid anchor)稳定地插入到膜中。为了将Cdc42从膜上拉下来以便进行循环利用，Rdi1必须抓住这种脂锚钩。 Li解释道，“Rdi1不能进入细胞膜，因此它需要松开Cdc42中带正电荷的这块区域。”
这就是脂质翻转酶发挥作用的地方。已知这种酶能够将电荷中性的磷脂翻转到膜内层。膜内层负电荷减少，从而允许Cdc42脂锚钩更容易溜走。Das解释道，这就阐释了“一种简单的物理相互作用如何调节在细胞产生极性期间观察到的复杂形态发生的结果。”
这种机制就这样被全部阐释清楚了吗？恐怕不是如此。研究人员希望他们能够根据对活细胞的观察而揭示这种机制。但是活细胞中，排除其他因素的影响是很难的。因此，Das努力构建小块人造的重建膜来测试这种机制。他回忆道，“这是一个大的挑战，在我们成功开展研究之前需要解决很多问题。”在一年的努力之后，它确实成功了。研究小组利用一种称作全内反射荧光显微镜(total internal reflection fluorescence microscopy)而能够证实膜携带的电荷确实决定Cdc42能够被Rdi1从膜上拉下来的速度。
下一个挑战将是找出是什么控制这种脂质翻转酶。Li说，“已有一些线索表明事情变得更加棘手，因为这种脂质翻转酶可能被细胞膜中另一类脂质调节，也可能被其他酶调节。”不论如何，这篇新论文已为科学家更好地理解所有细胞类型产生细胞极性打开大门。而且它也表明新的实验工具和数学分析方法能够有助于在细胞内追踪分子并进行计数。 (生物谷：towersimper编译)
doi:10.1038/ncb2444
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PMID:
Flippase-mediated phospholipid asymmetry promotes fast Cdc42 recycling in dynamic maintenance of cell polarity
Arupratan Das, Brian D. Slaughter, Jay R. Unruh, William D. Bradford, Richard Alexander, Boris Rubinstein & Rong Li
Lipid asymmetry at the plasma membrane is essential for such processes as cell polarity, cytokinesis and phagocytosis1, 2, 3. Here we find that a lipid flippase complex, composed of Lem3, Dnf1 or Dnf2 (ref. 4), has a role in the dynamic recycling of the Cdc42 GTPase, a key regulator of cell polarity5, in yeast. By using quantitative microscopy methods, we show that the flippase complex is required for fast dissociation of Cdc42 from the polar cortex by the guanine nucleotide dissociation inhibitor. A loss of flippase activity, or pharmacological blockage of the inward flipping of phosphatidylethanolamine, a phospholipid with a neutral head group, disrupts Cdc42 polarity maintained by guanine nucleotide dissociation inhibitor-mediated recycling. Phosphatidylethanolamine flipping may reduce the charge interaction between a Cdc42 carboxy-terminal cationic region with the plasma membrane inner leaflet, enriched for the negatively charged lipid phosphatidylserine. Using a reconstituted system with supported lipid bilayers, we show that the relative composition of phosphatidylethanolamine versus phosphatidylserine directly modulates Cdc42 extraction from the membrane by guanine nucleotide dissociation inhibitor.
