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开发单元。作者手稿;可在PMC 2008年4月30日提供。
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NIHMSID公司:美国国家卫生研究院23087
PMID:17488624

aPKC控制微管组织,在发育过程中平衡粘附分子的连接对称性和平面极性

关联数据

补充资料

总结

组织形态发生需要在不丧失上皮完整性的情况下组装和拆卸单个细胞-细胞接触。这需要动态控制根尖区域周围的粘附分子连接(AJ)定位,但所涉及的机制尚不清楚。我们表明,非典型蛋白激酶C(aPKC)是对称AJ定位所必需的果蝇属胚胎发生。aPKC对于最初的AJ根尖募集是不必要的,但如果没有aPKC,AJ在原肠胚形成时会形成非典型的平面极化点状。在此之前,微管未能与中心体分离,在原肠胚形成时,异常持久的中心体微管紫菀将AJ聚集到点状体中。点处Dynein的富集表明,它可能将AJ和微管拉在一起,微管破裂使点分散。通过对野生型胚胎细胞骨架的破坏,我们发现微管和肌动蛋白相互作用的平衡控制着正常原肠胚形成期间AJ对称性与平面极性。aPKC显然调节着这种平衡。如果没有aPKC,异常强烈的微管相互作用会破坏AJ对称性,上皮结构丢失。

介绍

组织和器官结构的正确组装和维护对正常发育和体内平衡至关重要。上皮是最常见的动物组织结构,形成粘附细胞薄片,充当我们身体隔间的边界。许多晚期癌症的特征是失去了适当的上皮结构。上皮结构通常由粘附连接(AJ)维持,其中嗜同性相互作用的钙粘蛋白受体与细胞质β-连环蛋白(犰狳;Arm)和α-连环素相连(Gumbiner,2005年;Jamora和Fuchs,2002年;纳尔逊,2003年;Tepass等人,2001年). AJ与肌动蛋白和微管(MT)细胞骨架相互作用,形成控制上皮结构的动态蛋白质相互作用网络。

所有细胞都是极化的,建立顶端-基底极性对所有动物的上皮组织结构至关重要。果蝇属,当Bazooka(Baz)/PAR-3指导AJ的顶端组装时,细胞化过程中建立了顶端-基底极性(Fehon,2006年). 这种初始极性随后通过极化积累和其他极性复合体的作用来阐述,这些极性复合体相互作用以增强顶端-基底极性。

极性建立后,上皮细胞开始形态发生。这引入了第三维度,当细胞在上皮平面内移动时,平面极性的第一个证据出现了。AJ通常对称分布在每个上皮细胞的顶端,粘附相邻细胞以维持上皮结构(Gumbiner,2005年;Jamora和Fuchs,2002年;纳尔逊,2003年;Tepass等人,2001年). 然而,上皮形态发生需要细胞交换邻居,这需要不对称的AJ组装事件。例如,在会聚伸展过程中,插入细胞之间必须形成新的接触和新的AJ(Bertte等人,2004年;Blankenship等人,2006年;欧文和维肖,1994年;Zallen和Wieschaus,2004年).

同样,当上皮细胞分裂时,它们与相邻细胞维持AJ并不对称地在子细胞之间形成新的接触(诺克斯和布朗,2002年). 然而,必须恢复或保持AJ对称性,以获得适当的上皮结构。因此,必须存在特定的调节机制来平衡瞬态不对称AJ组装事件和整体AJ对称性,但调节这一点的机制尚不清楚。

PAR-3/PAR-6/aPKC复合物的蛋白质在许多情况下调节细胞对称性,控制来自秀丽线虫胚胎到哺乳动物神经元和干细胞(坎普斯,2000年;蒙罗,2006;南斯,2005;Wiggin等人,2005年;Wodarz,2005年). 在上皮细胞中,这些极性调节因子控制AJ在顶端结构域的组装和维持(纳尔逊,2003年;Ohno,2001年;Tepass等人,2001年). 果蝇属,缺乏核心AJ成分的突变体在原肠胚形成时启动上皮重排而失去上皮结构(Cox等人,1996年;Harris和Peifer,2004年;Muller和Wieschaus,1996年). 将钙粘蛋白极化组装成AJ和巴兹突变体在原肠胚形成时也会失败(Harris和Peifer,2004年;Muller和Wieschaus,1996年). 虽然Baz/PAR-3通常在与aPKC和PAR-6的复合体中起作用,但在早期果蝇属Baz上皮与AJ共定位,而aPKC和PAR-6定位于Baz顶端(哈里斯和佩弗,2005年). 这表明aPKC和PAR-6可能具有与Baz不同的功能。虽然Baz对AJ的初始组装至关重要,但Par-6似乎可以维持它们的原肠胚形成(Hutterer等人,2004年). aPKC在幼虫期神经细胞的极性中起重要作用(罗尔斯等人,2003年)但aPKC在建立和阐述极性方面的作用果蝇属胚胎发生尚未确定。在这里,我们报告aPKC对极性的初始建立并不重要,但在原肠胚形成、会聚延伸和后期发育期间,它在调节顶端结构域周围的AJ对称性方面发挥着独特的作用。

结果

aPKC对于建立极性来说是不必要的,但可以促进AJ对称性

合子aPKC突变体能够在胚胎发生过程中存活下来,可能是由于母体的贡献,并作为神经元缺陷的幼虫死亡(罗尔斯等人,2003年). 为了评估aPKC在胚胎中的作用,我们检测了母体和合子突变的胚胎中的缺失apkc公司k06403型等位基因(罗尔斯等人,2003年).apkc公司米/z突变体正常形成细胞胚层上皮。与影响Baz或AJ蛋白的突变体相反(Cox等人,1996年;Harris和Peifer,2004年;Muller和Wieschaus,1996年),我们发现apkc公司米/z突变体原肠化,形成腹沟和中肠后部内陷(图1A、B). 相对于野生型(WT;图1C、D),原肠化apkc公司米/z突变体显示出紊乱的上皮细胞形状和位置,但不会像缺乏Baz或AJ时那样失去整个上皮结构(Cox等人,1996年;Harris和Peifer,2004年;Muller和Wieschaus,1996年;图1E、F).apkc公司米/z突变体也会进行会聚延伸,使后生殖带向前移动到胚胎的背面(图1G). 然而,在细菌带完全延伸的情况下,apkc公司米/z突变体经历广泛的上皮细胞分离(图1G; 与WT相比,图1H; 另请参见图2O,P). 两者都有apkc公司米/z突变体和父系再鉴定apkc公司突变体(具有合子aPKC表达)作为胚胎死亡,其剩余的上皮只分泌角质层碎片(图1I与具有完整角质层的WT相比,图1J). 因此,外胚层可以在apkc公司米/z突变体,但上皮结构在发育过程中逐渐丢失。

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apkc公司米/z突变体有原肠胚,但表现出进行性上皮破裂

(A-H)Dlg标记细胞皮层。(A)apkc公司米/z突变体和(C)WT腹沟(括号内)。(B)apkc公司米/z突变体和(D)WT中肠后部内陷(箭头所示)。(E)米/z变异的腹沟(括号内;通过扭曲染色确定的沟(数据未显示))。(F)米/z突变的中肠后部内陷(箭头所示;米兰达染色法显示胚胎方向(数据未显示))。上皮细胞分解时形成球状物。(G)apkc公司米/z与WT(H)相比,突变体经历了生殖带延伸,但随后表现出广泛的上皮分离和细胞圆形。(一)apkc公司米/z突变体角质层——指剩余上皮细胞分泌的角质层小碎片。(J) 重量棒,50μm。

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AJs和Baz在apkc公司突变原肠胚形成

(A-H)DE-Cad,绿色。Baz,红色。Dlg,蓝色,标记质膜。(A) WT细胞化。DE-Cad和Baz在点状连接处共定位,均匀分布于心尖周围。(B) 细胞化apkc公司米/z突变体。DE-Cad和Baz与WT(A)无法区分。(C) 早期WT原肠胚形成。DE-Cad和Baz保持均匀分布的点结。(D) 早期apkc公司米/z突变原肠胚形成(腹沟形成)。DE-Cad和Baz形成点状突起,位于每个细胞的背侧和腹侧中央(箭头所示)。(E) 早期WT菌带扩展。点连接开始合并。DE-Cad和Baz在全根尖周围共定位。(F) 早期apkc公司米/z突变生殖带延伸。维持平面极化的DE Cad/Baz点。(G) 晚期WT菌带扩展。DE-Cad和Baz均匀分布。(H) 迟到apkc公司米/z突变生殖带延伸。DE-Cad/Baz-puncta失去平面极性,变得杂乱无章。(I,J)与对称的WT分布(I)相比,原肠胚形成(J)时整个上皮细胞的平面极化DE-Cad/Baz点状物(Baz以辉光标度显示)。(K) WT原肠胚形成。Baz位于每个细胞顶点的正下方(箭头)。(左)apkc公司米/z突变原肠胚形成。Baz位于每个细胞顶点下方的顶部(箭头)。(M) WT晚期菌带延伸。Baz定位于每个上皮细胞顶点周围(M,侧视图,箭头;O,表面视图,靠近羊膜浆膜细胞(a.s.)。(N) 迟到apkc公司米/z突变生殖带延伸。Baz在碎片复合体中更基本地定位(N,侧视,箭头)(P,表面视图,箭头)。棒材,5μm(A-H),50μm(I-P)。

接下来,我们研究了aPKC丢失对建立和随后阐明顶端-基底极性的细胞生物学后果。极性是由Baz和AJ蛋白在细胞化过程中的顶端定位引起的,形成不连续但对称分布的斑点连接(图2A、C)随后在每个上皮细胞顶端周围结合成连续的带状连接(图2E、G)在生殖带延伸期间(Harris和Peifer,2004年;Tepass和Hartenstein,1994年). apkc公司米/z突变的细胞胚层,AJ最初在正常的顶端位置聚集(哈里斯和佩弗,2005年)和AJ(标记为果蝇属E-钙黏蛋白;DE-Cad)和Baz在对称分布的点结中共存(图2B),如WT中所示(图2A).

在WT胚胎中,在早期原肠胚形成期间,DE-Cad和Baz继续在对称分布的点连接处共存(Harris和Peifer,2004年;Tepass和Hartenstein,1994年). 相反,作为apkc公司米/z突变体开始原肠胚形成(在腹沟形成后,但在生殖带延伸之前),斑点连接合并成异常的单点,位于每个外胚层上皮细胞的背侧和腹侧边缘中央(图2D; DE-Cad在点刺中的富集程度稍低,保持低水平均匀的皮层分布)。这些不对称的DE-Cad和Baz点在原肠胚形成表面形成一个平面极化模式apkc公司米/z突变体(图2J)与WT中的对称点结形成对比(图2I). AJ蛋白Arm遵循其结合伙伴DE-Cad,与Baz定位于平面极化点(图3A; 与DE-Cad类似,Arm的富集程度低于Baz),而WT-Arm均匀分布在点连接处(图3B). 在中肠后部内陷和早期生殖带延伸期间,WT胚胎开始形成相对对称的带连接(图2E),在中时apkc公司米/z突变体平面极化AJ/Baz punta persist(图2F).

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aPKC对极性线索的影响

(A) 原肠化时手臂与点状Baz共定位apkc公司米/z突变体(箭头)。(B) 臂入WT点连接。(C) 原肠化时Baz点缺乏PAR-6和(G)Crb富集apkc公司米/z突变体。与WT(D,F,H,J)相比,两者在原肠胚形成期(C,G)和生殖带延伸后(E,I)都减少了皮层的富集。(K) 原肠化时Dlg与DE-Cad点重叠apkc公司米/z突变并定位于顶端表面膜(箭头),如WT(L,箭头;插图显示了此阶段的侧视图)。(M) 之后,Dlg继续定位于顶面膜apkc公司米/z突变体生殖带延伸(箭头;插图显示了该阶段的侧视图),而WT中Dlg位于DE-Cad下方(N,一个略微倾斜的部分,面板顶部位于胚胎表面上方;插图显示该阶段的侧视图)。棒材,5μm。

在正常的心尖位置形成点连接apkc公司米/z突变体(哈里斯和佩弗,2005年),和WT点连接类似(图2K),在原肠胚形成早期,平面极化的点状物保持顶端(图2L; 在来自五个实验的五个胚胎的>10个外胚层细胞的组中测量,突变点定位在胚胎表面以下1.5+/-0.4和4.6+/-0.8μm之间;WT斑点连接位于胚胎表面以下1.2+/-0.4和4.5+/-1.4μm之间(n=5))。在生殖带延伸期间,WT带接头重新定位到细胞间接触的顶点(哈里斯和佩弗,2005年;图2M),但其中的点子apkc公司米/z突变体未能做到这一点,沿着侧膜保持更多的基底(图2N). 在菌带扩展结束时,AJ和Baz仍处于关键阶段apkc公司米/z突变体,但这些突变体沿着顶基轴和平面轴随机定位(图2H,P; 与对称WT结相比,图2G,O)在小群体中,随着细胞分离或聚集,上皮结构丢失。中的过渡apkc公司米/z从细胞化时的AJ/Baz对称性到原肠胚形成时的平面极化AJ/Baz点,再到生殖带延伸后随机定位的AJ/Baz点的突变似乎是完全渗透性的,这是在20多个单独的实验中观察到的。

异常AJ/Baz点的形成apkc公司米/z突变体揭示了aPKC在原肠胚形成和后期发育期间维持AJ对称性的关键作用。AJ/Baz点状首先作为有序的平面偏振阵列出现,这表明它们的形成是由于年AJ定位中的一个相对特定的缺陷apkc公司米/z突变体。为了验证这个假设,我们检查了其他极性调节器的定位。

aPKC对于极性维护和细化非常重要

在细胞化过程中建立顶端-基底极性后,其他极性蛋白不对称定位,有助于阐述初始极化(Bilder等人,2003年;Hutterer等人,2004年;Tanentzapf和Tepass,2003年). 因此,我们检查了其他极性蛋白在apkc公司米/z突变体。在WT胚胎中,Baz/aPKC结合伙伴PAR-6(图3D,F)和顶点行列式Crumbs(图3H、J)随着原肠胚形成的开始,在顶端皮层变得丰富。在aPKC突变体中,PAR-6都不是(图3C、E)也不是Crumbs(图3G,I)在Baz/AJ点中变得丰富;相反,两者大部分都从大脑皮层中消失了。我们还分析了大圆盘(Dlg)对基底外侧膜的限制,它是基底外侧Dlg/致死巨型幼虫(Lgl)/Scribble复合体的组成部分。在原肠胚形成期间,无论是WT还是apkc公司米/z突变体(图3K、L,箭头指向顶端表面膜的Dlg积聚)。然而,在WT中,Dlg在原肠胚形成结束时被排除在顶端区域(图3N)但在随后的上皮破裂期间仍保持顶端apkc公司米/z突变体(图3M,箭头)。因此,aPKC对于极性的建立是不必要的,但在随后的上皮细胞极性维持/细化中确实发挥着重要作用。

aPKC抑制AJ-微管相互作用

这些对极性细化的影响虽然引人注目,但不容易解释AJ早期聚焦到平面极化点的原因apkc公司米/z突变体。一种可能调节AJ定位的机制是细胞骨架关联。测试非对称AJ定位是否apkc公司米/z突变体涉及肌动蛋白或肌动蛋白的改变,我们检测了细胞骨架组织。WT肌动蛋白相对均匀地分布在顶端细胞周围,与斑点连接有相当大的重叠,并在三细胞连接处富集(图4B). apkc公司米/z突变体,肌动蛋白在三细胞连接处积聚(图4A)大于WT(图4B)但肌动蛋白在Baz puncta中没有明显富集。同样,在随后的上皮细胞破裂期间apkc公司米/z突变体,肌动蛋白在片段化AJ中没有特异性富集(图4C); 相反,WT带连接处紧密地被肌动蛋白所覆盖(图4D). 年早期点状细胞缺乏肌动蛋白富集apkc公司米/z突变体可以部分解释维持对称点AJ的失败。肌动蛋白定位的改变可能是Baz/AJ复合物定位错误的下游结果,和/或可能通过侧向排斥影响点状突起。然而,我们试图确定一种直接起作用的集群机制。

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这个apkc公司米/z与MT aster异常相关的突变Baz/DE-Cad puncta

(A) 肌动蛋白在原肠化异常点状细胞中没有特异性富集apkc公司米/z突变体,但富含三细胞连接,多于WT(B)。(C) 肌动蛋白染色显示apkc公司米/z与WT(D)相比,突变种带延伸。(E) 在原肠化过程中,从中心体(红色,Klp10a)发出的MT(绿色)紫菀定位于平面极化的DE-Cad斑点(蓝色)的两侧apkc公司米/z突变体。(F) WT-MT(绿色)形成具有最小中心体(红色)结合或平面极性的横向束。(G) 之后,中心体MT定位在AJ片段附近apkc公司米/z突变种带延伸(括号内),与WT(H)相反。(I-K)在细胞化(I)、原肠胚形成(J)和生殖带延伸(K)期间,aPKC(红色)相对于MT(绿色)和AJ(右侧)的WT定位(在每个阶段,样品均在同一平面上进行三重染色和成像)。棒材,5μm。

我们接下来检查了MT。基于MT的顶端转运有助于初步定位AJ/Baz复合物(哈里斯和佩弗,2005年). 在WT中,复制的中心体与Baz/AJ复合体位于同一顶-基底平面的细胞核内,而MT则形成束沿着侧膜向下延伸。然而,在这个阶段,MT束显示出最小的中心体关联(图4F; 横截面中的束,箭头),尽管它们的侧面接近AJ,但它们并没有精确地定位(图4F,箭头)。

相比之下,MT在apkc公司米/z突变体,显示出与AJ/Baz punta非常特殊的关联(图4E). apkc公司米/z突变体MT aster起源于顶端中心体,两者都与AJ/Baz点密切相关,两个中心体中的一个通常与细胞背面的点相关,而另一个与腹面的点相关(图4E,箭头)。因此,来自两个相邻细胞的紫菀通常出现在单个穿孔的两侧(图4E(插图),表明AJ/Baz复合物桥接了两个细胞,可能是通过钙粘蛋白相互作用(在7个实验的7个胚胎中,184/200个AJ/Baz点刺与异常MT aster相关,36.7+/-3.5%的点刺两侧都有aster)。随着上皮细胞的解体,AJ和中心体MT之间也存在密切联系apkc公司米/z突变体(图4G),与WT相反(图4H),表明异常的AJ-MT相互作用可能在上皮破裂过程中继续抑制AJ对称性。

由于在WT胚胎的任何阶段都没有发现类似的MT aster(例如。,图4F)一种可以解释非典型AJ/Baz点的机制是MT-中心体结合延长或增强apkc公司米/z突变体。另一方面,异常的MT-着丝粒关联可能是AJ破坏的次要后果。为了验证这一点,我们检查了原肠胚形成期米/z缺少AJ的突变体。残留上皮细胞和游离细胞均未显示在apkc公司米/z突变细胞(Harris和Peifer,2004年;图S2).米/z突变体确实表现出异常的MT组织,但与apkc公司米/z突变表型,表明MT组织异常apkc公司米/z突变体不能仅归因于AJ破坏,并且aPKC可能对MT有更直接的影响。为了评估aPKC如何影响AJ-MT的相互作用,我们比较了aPKC和MT在WT顶端结构域的定位。在细胞化、早期原肠胚形成和种带扩展过程中,aPKC在皮层富集,在细胞质中有一些定位,但没有与MT特异性共定位(图4,I-K). 因此,aPKC可以影响皮层或细胞质中的MT。

aPKC在细胞化过程中阻断MT-中心体结合

我们的研究结果表明,aPKC可能在调节MT中心体相互作用中发挥早期作用果蝇属发展。为了验证这一机制假说,我们首先评估了细胞胚层中的WT-MT组织,就在原肠胚形成开始之前。在细胞化过程中,第一层上皮形成胚胎表面膜的内陷,同时将数千个细胞核分隔成单个柱状细胞(纳尔逊,2003年). 据报道,在细胞化过程中,MT从顶端中心体发出,向下穿过内陷的侧膜,在每个细胞核上形成倒置的MT篮(Warn and Warn,1986年). 由于我们的分析表明,WT-MT在原肠胚形成时几乎没有中心体关联,我们想知道MT-中心体的相互作用通常在什么时候中断。为了解决这一问题,我们对注射罗丹明标记的Tubulin的活WT胚胎进行了成像,聚焦于可以看到MT的最顶端平面。在细胞化开始时,在每个细胞室的顶端发现两个突出的MT aster(图5A, 0:00). 在细胞化的中后期,这些紫菀开始分裂(图5A,0:21),细胞化结束时,顶端MT主要组织成沿着侧膜向下的独立束(图5A; 0:29; 单个MT束见横截面)。我们在表达Tubulin-GFP的胚胎中观察到类似的结果(图S1),并利用该分析,通过在不同的顶底平面成像,确认了MT星和束在各个阶段的三维关系。在11个胚胎的活体成像中观察到中心体MT束的断裂。固定胚胎的成像也揭示了细胞化早期MT中心体的关联(图5B; 在3个实验中的17/19个胚胎中观察到顶端MT紫菀,并在细胞化结束时消失(图5C; 在3个实验的12/12个胚胎中没有顶端MT aster)。随着每个倒置MT篮的顶部从中心体分裂开来,MT在顶端区域的分布变得更加对称。因此,在WT细胞化过程中,MT被重新组织,使大多数顶端MT失去与两个顶端中心体的共定位,并作为MT束的一部分对称分布在每个细胞的两侧(图5D;5小时显示侧视图)。

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MT aster在apkc公司突变细胞化

(A) 注射罗丹明标记微管蛋白的WT胚胎的实时成像,聚焦于顶端MT。早期细胞化(0:00,h:min):MT在每个细胞室形成两个顶端紫菀。通过晚期细胞化(0:29):顶端紫菀分裂成MT束(箭头),沿着侧膜底部向下延伸。(请参见视频1)(B)早期WT细胞化。顶端MT(绿色)与每个细胞室的两个顶端中心体(标记为Klp10a(红色))密切相关(质膜:DE-Cad(蓝色))。(C) 晚期WT细胞化。顶端MT(绿色)与中心体分离(红色;箭头)。(D) 在(C)中,从基底到平面的成像显示横截面上的横向MT束(绿色)。(E) 早期apkc公司米/z突变细胞化。顶端MT(绿色)与顶端中心体(Klp10a(红色))相关,如WT(B)。(F) 迟到apkc公司米/z突变细胞化。MT紫菀(绿色)仍与中心体(红色)相关。(G) 图(F)中从基底到平面的成像显示横截面上的横向MT束(绿色)。(H) 侧视图,晚期WT细胞化。注意顶部MT aster的损失。(一) 侧视图,晚期apkc公司米/z突变细胞化。注意顶端MT星状体异常持续存在。棒材,5μm。

我们假设aPKC在细胞化过程中调节MT组织。为了测试这一点,我们检查了细胞化apkc公司米/z突变体。在早期细胞化中,顶端MT与中心体相关(图5E; 在6个实验中的22/22个胚胎中观察到顶端MT紫菀(图5B). 然而,在apkc公司米/z突变体MT在细胞化结束时未能与中心体分离,且显著的中心体相关MT aster持续存在(图5F;5I型是侧视图;与WT相比,在6个实验中的10/10个胚胎中观察到顶端MT aster(图5C、H). aPKC对顶端MT组织的影响是相对特殊的,因为MT是由中心体紫菀产生的apkc公司米/z突变体可以形成沿着每个细胞侧面延伸的侧束(图5G,I),如WT中所示(图5D、H). 此外,apkc公司米/z突变体在之前的合胞核分裂和之后的上皮细胞分裂期间具有正常的有丝分裂纺锤体(数据未显示)。重要的是,在apkc公司米/z突变体出现之前AJ/Baz定位存在严重缺陷。因此,aPKC似乎在调节心尖MT组织方面发挥了早期作用,在细胞化结束时触发了MT质体分离和围绕心尖域的更对称的MT分布。

持续的微管相互作用和AJ对称性的丧失

我们之前发现Dynein在细胞化过程中对AJs和Baz的初始顶端定位起作用(哈里斯和佩弗,2005年). 因为Dynein可以将AJ链接到MT(Ligon等人,2001年),还起到在细胞内中央定位中心体的作用(Gomes等人,2005年),我们假设在原肠化过程中AJ和中心体可能被拉在一起apkc公司米/z皮质Dynein突变体。为了研究这种潜在机制,我们评估了Dynein定位。在原肠胚形成期间,Dynein重链均匀地分布在两个WT的皮层和细胞质周围(图6A)和apkc公司米/z突变体(图6B)胚胎。Dynein中间链显示了类似的本地化(图6C). 在WT菌带延伸的末端,Dynein重链继续均匀地分布在皮层和细胞质周围(图6D). 然而,在apkc公司米/z突变种带延伸,Dynein重链在AJ片段处显著富集(图6E). 类似地,Dynein中间链在这些AJ片段处富集(图6F). Dynein在这些位点的存在与维持AJ和中心体MT之间异常联系的作用是一致的,后者与晚期上皮细胞破裂相关apkc公司米/z突变体。虽然Dynein在原肠胚形成期间具有更均匀的皮层分布,但也可能在点状突起的早期形成中发挥作用。

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Dynein和MT在AJ聚类中的作用apkc公司米/z突变体

(A) 在WT原肠胚形成期间,Dynein重链具有均匀的细胞质分布,在AJs和Baz附近的皮层有一些富集(Dynein-中间链具有类似的分布(数据未显示))。(B、C)期间apkc公司米/z突变体原肠胚形成,Dynein重链(B)和Dynein-中间链(C)均具有均匀的细胞质和皮层分布。(D) 在WT菌带完全延伸时,Dynein分布保持均匀。(E,F)满负荷apkc公司米/z突变种带延伸、Dynein重链(E)和Dynein-中间链(F)在片段AJ/Baz复合物上表现出特异性富集(箭头所示)。(G-I)apkc公司米/z突变体,DE Cad(蓝色),Baz(红色),MT(绿色)。(G) 当纺锤体在第一个有丝分裂结构域形成时,DE-Cad/Baz点状核随着MT(蓝色)从皮层中丢失而分散(比较左侧有丝分裂细胞(括号内的分散复合物)和右侧尚未分裂细胞(箭头,完整复合物))。(H) 秋水仙碱治疗(30分钟)原肠化apkc公司米/z突变体在大多数细胞中诱导MT(蓝色)丢失,并相应地分散DE-Cad/Baz-puncta(括号内)。箭头,保留在细胞中的复合物与残留的MT。(I)仅乙醇载体。棒材,5μm。

为了测试与MT和中心体的持续关联是否可能是将AJ和Baz拉入平面极化点的机制apkc公司米/z突变体,我们检测了MT asters的破坏是否分散了AJ/Baz punta。我们首先评估了在原肠胚形成结束时进行第一次细胞分裂的突变上皮细胞中AJ和Baz的定位。在这些细胞中,随着MT重组形成有丝分裂纺锤体,与AJ/Baz点相关的异常MT aster分解(图6G,分隔单元格,右侧(轮廓);尚未划分的部分,左图)。随着异常皮层MT aster的丢失,DE-Cad和Baz在细胞周围的分布更加均匀(图6G,括号),与尚未分裂的相邻单元格相比(图6G,箭头;在8/8个胚胎中观察到;DE-Cad显示与原始punta的距离更大)。为了进一步测试MTs是否稳定异常的AJ/Baz点刺,我们治疗了原肠化apkc公司米/z秋水仙碱突变破坏MT。在残留MT的区域,平面极化的DE-Cad/Baz-puncta被保留(图6H,箭头),但在没有检测到MT的相邻区域,DE-Cad和Baz形成较小的点状物,均匀分布在整个细胞外围(图6H,括号;9个胚胎中观察到)。模拟治疗无效(图6I; 对4/4胚胎无影响)。因此,持续的MT关联为AJ对称性在apkc公司米/z突变体。

与肌动蛋白和微管的相互作用平衡调节连接对称性与平面极性

这些数据表明,细胞骨架的相互作用可能与apkc公司米/z突变体可以调节正常的平面极性。为了测试正常发育过程中细胞骨架的相互作用是否调节AJ的位置,我们用细胞骨架抑制剂处理WT胚胎30分钟,并检查对AJs和Baz的影响(在这些实验中,Baz和DE-Cad是通过全心尖区共焦叠加的去卷积成像的,并显示为显示所有心尖Baz和DE-Cad的投影)。根据这一分析,在未经处理的对照胚胎中,由于种带扩展的开始,Baz平面极性变得非常明显(图7B,箭头;阶段7-8)),如前所述(Zallen和Wieschaus,2004年; 胚带伸长前的早期原肠胚形成可能存在细微的平面极性(第6期晚期);图7A; 最近的定量Blankenship等人,2006年表明情况确实如此)。然而,与之相反apkc公司米/z突变体WT-Baz富集发生在背腹侧细胞-细胞接触的全长,而不是局限于紧密点状突起,AJ保持相对对称分布。当我们用秋水仙碱破坏MT时,我们观察到在原肠胚形成和菌带扩展时对Baz和AJ定位的影响极小(图7C、D; 原肠胚形成时,三细胞连接的定位可能会略有增加)。

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协调的细胞骨架活性和Baz/AJs定位的对称性

图中显示了原肠胚形成(A、C、E、G)和生殖带延伸(B、D、F、H)时WT胚胎的去卷积共聚焦堆栈的投影。(A,B)单独用载体处理对Baz/AJ(DE Cad)定位没有影响。Baz发展出一些平面极性(箭头)。(C,D)秋水仙碱干扰MT对Baz/AJ定位的影响最小。(E,F)用细胞松弛素D破坏肌动蛋白后,Baz和DE-Cad在两个阶段的平面极性都增强。(G,H)细胞松弛素D和秋水仙碱同时处理导致Baz和DE-Cad在两个阶段的分布相对对称。棒材,5μm。(一) aPKC在发育过程中调节MT组织、AJ定位和上皮结构的模型。

我们研究了肌动蛋白细胞骨架的作用,推断细胞骨架相互作用的平衡可能控制平面极化的Baz/AJ定位。为了测试破坏肌动蛋白的效果,我们用细胞松弛素D处理。这导致Baz和AJ的平面极化显著增强;在细菌带扩展开始之前,两者都已显著平面极化(图7E,箭头),并且在菌带扩展开始后超极化(图7F,箭头)。这表明肌动蛋白在早期起到抑制连接不对称性的作用。为了进一步探讨MT的可能作用,我们同时用细胞松弛素D和秋水仙碱处理胚胎。这在很大程度上逆转了单独抑制肌动蛋白的作用,恢复了Baz和AJ的更对称分布(图7G、H). 为了量化这些结果,我们测量了背腹侧(DV)与前后侧(AP)接触处的相对荧光强度,平均每个胚胎5个细胞的比率,并测量了每个实验的3个7-8期胚胎。在对照胚胎中,Baz和DE-Cad的DV-AP比值分别为2.82±0.56和1.42±0.14。使用细胞松弛素D时,Baz和DE-Cad的DV-AP比值分别显著高于7.06±0.20和4.11±0.14(T检验,p<0.001)。在细胞松弛素D加秋水仙碱的情况下,Baz和DE-Cad的DV-AP比值分别低于对照组1.00±0.31和1.25±0.14。同样,仅用秋水仙碱,Baz和DE-Cad显示的DV-AP比率低于或等于对照组1.89±0.30和1.46±0.23。这些结果表明,MT有助于肌动蛋白破坏导致的Baz/AJ平面极性增强,并且MT和肌动蛋白相互作用之间的平衡通常保持AJ对称性。apkc公司米/z突变体,顶端MT aster的异常持续性似乎破坏了这种平衡,导致平面极化AJ聚集(图7I).

讨论

我们的研究为aPKC在极性建立和细化过程中的作用提供了第一视角果蝇属胚胎。秀丽线虫(Tabuse等人,1998年)aPKC在初始极性建立过程中并不重要,因为Baz和AJ最初定位正确,胚胎上皮可以经历初始形态发生。然而,aPKC通过对MT组织的影响,在维持AJ的对称组织方面起着早期和显著的作用,并且在极性的阐述中也起着重要的后期作用。

aPKC在极性修饰中的后期作用可能反映了对多个靶点的影响。我们发现,aPKC对其正常结合伙伴PAR-6和顶端决定簇Crb的皮质定位至关重要。后一种效应与aPKC可以磷酸化Crb的事实一致,并且Crb中aPKC磷酸化位点的破坏会破坏Crb顶端结构域的稳定性(Sotillos等人,2004年). 因为Crb在原肠胚形成后稳定了AJ(Tepass,1996年),这可能导致最终的AJ崩溃apkc公司米/z突变体。Crb可与PAR-6协调行动(Lemmers等人,2004年)或并行。aPKC还可以磷酸化基底外侧线索Lgl并将其从顶端结构域中排除(Hutterer等人,2004年),我们观察到未能将Dlg排除在心尖区apkc公司米/z突变体。因此,基底外侧线索的顶端侵入也可能导致上皮极性的最终丧失apkc公司米/z突变体。

然而,这些根尖-基底细胞极性的全球变化不太可能是AJ早期聚集成平面极化点的原因apkc公司米/z突变体。事实上,大多数其他极性参与者在原肠胚形成后影响极性。crb(放射性核素)突变体在原肠胚形成和早期生殖带延伸期间具有正常的点连接(Tepass,1996年). 直到原肠胚形成后,Lgl和Dlg才被排除在心尖区之外(Harris和Peifer,2004年;Hutterer等人,2004年). 同样,哺乳动物aPKC可以将PAR-1限制在上皮细胞的基底外侧结构域(Hurov等人,2004年),果蝇属原肠胚形成时,PAR-1通常不排除在心尖区(Bayraktar等人,2006年). 因此,对Crb、Lgl/Dlg和PAR-1的影响不能很容易地解释AJ和Baz聚焦成离散的平面极化点状apkc公司米/z突变体原肠化。

相反,我们的数据表明,aPKC通过调节MT来调节AJ对称性。MT调节可能是aPKC的一个常见功能。例如,果蝇属aPKC促进神经肌肉接头突触束的MT稳定性,其中aPKC与Futsch(一种MAP1B样蛋白)和Tubulin形成复合物,招募Futsch来稳定MT(Ruiz-Canada等人,2004年). 当哺乳动物的星形胶质细胞和成纤维细胞在伤口愈合过程中进行定向迁移时,aPKC也调节MT定向(Cau和Hall,2005年;Etienne-Manneville和Hall,2003年)而在MDCK细胞中,aPKC在纤毛发生过程中帮助组织MT细胞骨架(Fan等人,2004年).

MT的组织和重组在上皮形态发生中起着重要作用,我们的数据表明,aPKC的缺失破坏了这些事件。期间果蝇属细胞化,来自顶端中心体的强烈MT成核可能是组装支持脂质和蛋白质顶端运输形成细胞膜的侧向MT所必需的(Lecuit和Wieschaus,2000年;Papoulas等人,2005年). 这些MT也有助于指导AJ和Baz的初始顶点定位(哈里斯和佩弗,2005年). 在以后的开发中,我们对apkc公司米/z突变体表明中心体MT可以影响AJ在顶端结构域周围的对称定位。如果没有aPKC活性,中心体就会成为异常显性的两极线索,引导AJ聚集,从而破坏AJ对称性。尽管这种异常的MT组织与AJ突变体中观察到的MT组织变化不同(Harris和Peifer,2004年;图S2),我们不能排除在上皮形态发生过程中MT和AJ之间存在反馈的可能性,以及aPKC可能调节这些相互作用。事实上,这种反馈是很有可能的,在未来的研究中定义MT-AJ相声机制将是至关重要的。

apkc公司米/z突变体,与MT相关的AJ/Baz点聚集在细胞的背侧和腹侧(图2)在这里,新的细胞-细胞接触形成为细胞间的插入,使生殖带会聚延伸(Bertte等人,2004年;Blankenship等人,2006年;欧文和维肖,1994年;Zallen和Wieschaus,2004年). 这表明,MT可能在这些新形成的细胞-细胞接触处的AJ组装中正常发挥作用。然而,这些极化的AJ组装事件也必须平衡,以保持AJ对称性和适当的上皮结构。我们的细胞骨架抑制物研究表明,AJ对称性通常受MT-AJ和肌动蛋白-AJ相互作用的平衡调节,肌动蛋白似乎可以抵消背侧和腹侧细胞接触处基于MT的AJ组装(图7). 最近研究表明,肌动蛋白在前、后细胞接触处富集,提示这可能是早期平面极性提示(Blankenship等人,2006年). 也许这种平面极化的肌动蛋白在前后细胞接触处稳定了AJ池,从而平衡了背部和腹部接触处基于MT的AJ组装。或者,在背侧和腹侧细胞接触处较低水平的肌动蛋白可以直接抵消这些部位基于MT的AJ组装。区分这些可能性需要进一步研究。尽管如此apkc公司米/z突变表型似乎源于一种功能获得效应,在这种效应中,MT变得过度活跃,MT-AJ和actin-AJ相互作用之间失去了适当的平衡。因此,AJ对称性在apkc公司米/z突变体,与MT相关的AJ点最终变得随机定位,上皮细胞分离(图7I).

我们的数据表明,aPKC可以正常调节MT-AJ相互作用的推测性机制模型。我们表明MT关联是导致异常AJ不对称的原因apkc公司米/zDynein在这些异常的AJ/Baz点聚集。由于Dynein在细胞化过程中对AJ/Baz蛋白的顶端转运起作用(哈里斯和佩弗,2005年)我们认为,aPKC通常可以调节Dynein中AJ/Baz复合物的释放,从而实现完整的转运循环。在没有这种释放的情况下,AJ/Baz复合物可能与MT保持异常关联,而局部Dynein活性可能将中心体和点连接拉到一起,形成在apkc公司米/z突变体。这种异常的皮层Dynein活性也可能稳定来自中心体的MT,导致突变体中的中心体MT持续存在。另外,aPKC可能在中心体发挥作用,减少MT核化或增加MT切断。未来的实验将阐明这些机制以及aPKC在控制MT组织和AJ定位中的作用的一般性。

实验程序

蝇类和遗传学

FlyBase描述突变和构建(http://flybase.bio.indiana.edu).apkc公司K06403号如前所述,m/z突变体是通过FLP占优势的女性系列方法制造的(哈里斯和佩弗,2005年). WT是黄白色。apkc公司K06403号苍蝇是C.Doe(俄勒冈州大学)的礼物。

胚胎染色和处理

对于微管蛋白和KLP10a,胚胎在10:9:1庚烷:37%甲醛:0.5M EGTA中固定10分钟。对于其他染色,胚胎在PBS:庚烷中1:1 3.7%甲醛中固定20分钟。甲醇脱碲后,在PBS/1%山羊血清/0.1%Triton X-100中进行封闭和染色。抗体为:抗Arm的小鼠单克隆抗体(1:500)、Crb的单抗(1:500;发育研究杂交瘤库(DSHB))、Dlg的单克隆抗体Klp10a(1:1000;S.Rogers,北卡罗来纳大学),ζPKC(1:2000;Santa Cruz)和鼠抗DE-Cad单克隆抗体(1:100;T.Uemura,日本京都大学),PAR-6(1:100,C.Doe,俄勒冈州大学)。如前所述进行秋水仙碱和细胞松弛素D治疗(哈里斯和佩弗,2005年).

图像采集、量化和处理

固定胚胎安装在Aqua Polymount(Polysciences,Inc.)中,并在RT下使用510共焦显微镜(Carl Zeiss MicroImaging,Inc.)进行成像,目标为40x(Plan-NeoFluor;NA 1.3)和63x(Plan-Apochromat;NA 1.4),以及LSM 510 AIM软件。次要Abs是Alexa 488、546和647(分子探针)。使用Velocity软件(Improvision)进行图像反褶积和投影。使用Image J软件(NIH)从去卷积共焦叠加投影中进行荧光强度测量。在清晰的背腹和前后接触处,以及每个细胞的细胞质中,测量12个像素直径圆圈的平均荧光强度。从每个细胞接触测量值中减去细胞质的测量值,将背景校正的背腹侧测量值除以背景校正的前后侧测量值,以量化背腹侧细胞接触相对于前后侧接触的富集程度。除非另有说明,否则Adobe Photoshop 6.0用于调整输入电平,使信号的主要范围跨越整个输出灰度,并用于调整亮度和对比度。我们使用双三次插值重新调整图像大小,但在正常观察放大倍数下观察到数据没有变化。

定时显微镜

脱羧WT胚胎放置在卤代烃油中(系列700;卤代烃产品公司),并安装在透气膜上(petriPERM;Sigma)。对于注射罗丹明标记的微管蛋白(细胞骨架)的胚胎,在RT时使用Wallac Ultraview共焦成像系统(PerkinElmer)每隔10秒用40倍(Nikon Pan Fluor,N.a.1.30)物镜、ORCA-ER数码相机(Hamamatsu)和Metamorf软件拍摄图像。对于微管蛋白-GFP胚胎,使用Quorum旋转盘共焦系统(Quorum Technologies),在RT,使用63x(Plan-Apochromat;NA 1.4)物镜和Volocity软件,每隔0.5秒(每叠3秒)采集一次图像。

补充材料

补充数据

图S1。Tubulin-GFP揭示了WT细胞化过程中顶端MT的重组表达微管蛋白-GFP的WT胚胎的实时成像。为了确保对所有心尖MT进行成像,需要对六个部分进行叠加,每个部分间隔0.5μm。在每个时间点获取。在早中期细胞化过程中(0:00;一个细胞室被圈出),堆栈的扩展焦点投影显示每个细胞室中两个顶端紫苑中的MT。通过晚期细胞化(0:22),顶端紫苑分解为MT束(箭头),如注射罗丹明标记微管蛋白的活WT胚胎和微管蛋白染色的固定WT胚胎所示(图4). 第1节显示,对最顶端的MT进行了成像。第6节显示,在所有阶段,更多的基底细胞被组织成侧束(环绕一个细胞室)。围绕胚胎的自身荧光卵黄膜提供了额外的空间参考(左上角)。棒材,5μm。

图S2。原肠形成的母体/合子米/z突变体具有异常的顶端MT组织,这与原肠化的异常顶端MT组织不同apkc公司米/z突变体。排除MT缺陷apkc公司米/z突变体完全是由于AJ的破坏,我们将其与米/z突变体。我们之前在米/z突变体,大多数细胞分离(C,D),而少数保留残余上皮特征(a,B;Harris和Peifer,2004年). 在这两方面,机器翻译组织与apkc公司米/z突变体。(A,B)原肠化上皮玫瑰花结米/z突变体。(A) Baz(红色),MT(绿色)。请注意,Baz标记的顶环内有较强的MT积累(Baz蜂窝状轮廓,紫色箭头标记MT积累)。(B) Baz(红色),中心体(绿色)。注意,中心体定位在用Baz染色标记的心尖环外(Baz蜂窝状轮廓,黄色箭头标记中心体)。米/z突变体,中心体远离残留的Baz复合物定位,MT束进入顶端结构域。这与apkc公司米/z中心体MT aster定位在残留Baz/AJ复合体附近的突变体。(C,D)原肠胚形成中分离的细胞米/z突变体。(C) Baz(红色)、MT(绿色)。Baz络合物分散,MT无组织。(D) Baz(红色),中心体(绿色)。Baz复合物分散,中心体随机定位。原肠化游离细胞中的MT组织米/z突变体也不同于apkc公司米/z突变体。

单击此处查看。(130万,pdf)

视频1

WT细胞化过程中MT-中心体结合的丢失从胚胎表面观察细胞化室。焦平面保持在最顶端平面,在那里标记的MT被清楚地检测到。最初,在每个细胞化室中可以看到两个紫菀,但在细胞化结束时会分离。每10秒收集一次帧,每1/16秒显示一次。请参阅图4A获取电影中的静态图像。

单击此处查看。(96M,avi)

致谢

我们感谢C.Doe、T.Hays、G.Rogers、S.Roger斯、T.Uemura、A.Wodarz、布卢明顿库存中心和DSHB提供的试剂;以及B.Goldstein、G.Rogers、S.Rogers、N.Rusan和U.Tepass的评论。这项工作由NIH R01 GM47857资助,M.P.T.H.由NSERC和CIHR PDF资助。T.H.目前由加拿大二级研究主席、NSERC和CIHR资助。

脚注

出版商免责声明:这是一份未经编辑的手稿的PDF文件,已被接受出版。作为对客户的服务,我们正在提供这份早期版本的手稿。手稿在以最终可引用的形式出版之前,将经过编辑、排版和校对结果证明。请注意,在制作过程中可能会发现可能影响内容的错误,适用于该期刊的所有法律免责声明均适用。

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