PAR蛋白质：动物细胞极化的基本因素

摘要

par基因25年

1983年2月，Ken Kemphues和Jim Priess在秀丽线虫突变筛选。肯福斯是一名博士后，普莱斯是科罗拉多大学博尔德分校大卫·赫什实验室的研究生。1983年之前的几年里，发展生物学的两个关键进展促使了这类筛选：纽斯莱因-沃尔哈德和维绍斯已经表明，大量关键的发展基因可以通过突变筛选在果蝇属(Nusslein Volhard和Wieschaus，1980年)，并且有证据表明，早期动物胚胎中的细胞分裂有助于仔细划分发育决定因素(惠塔克，1980年和斯特罗姆与伍德，1982年). 坎普休斯和普莱斯渴望找到控制胚胎早期发育的基因秀丽线虫胚胎。他们寻找能够破坏最早作用的基因产物的突变体，即在卵子构建过程中由母亲贡献的基因产物。

坎普斯和普莱斯考虑了一系列筛选母体胚胎致命突变株的方案。普莱斯在参加了一个关于酵母中正在进行的突变筛选的讲座后，根据酵母数量估计了他们需要检测多少蠕虫才能找到相关的突变株。这个数字之大令人失望，普瑞斯花了一个周末的时间后悔自己决定攻读博士学位。他还思考了如何秀丽线虫屏幕可能是流线型的，并想出了一个创造性的技巧，这仍然是在秀丽线虫这个技巧利用了其他人发现的在卵黄形成（Egl表型）中失败的突变体(Horvitz等人，1983年). 在这些突变体中，未被释放的胚胎在母亲体内孵化，并在喂食时吞噬母亲，最终导致幼虫包满母亲的角质层。普莱斯推断，如果白鹭蠕虫被诱变，并且出现渗透性母体胚胎致命突变，那么母体将被解救出来，并且通过盘子上爬行的母体很容易发现含有这种蠕虫的盘子。通过挑选这些蠕虫的活杂合子同胞，可以保持发现的任何隐性致命突变，并且通过在突变株中加入导致雄性高发病率的突变（Hem表型），可以促进这些突变株的异交。

Priess通过将一个现有的条件胚胎致死突变杂交到一个Egl-Him菌株来验证他的想法，并发现在这种背景下确实可以很容易地发现一个具有胚胎致死性的平板。他给了坎普斯菌株，在第一屏中，坎普斯和研究技术员努里特·沃尔夫发现了六例胚胎致死病例。其中有一个菌株具有令人兴奋的表型：胚胎的细胞分裂异常均等且同步，这表明在早期分裂期间重要细胞质成分的分配失败(图1). 这种表型以前只在秀丽线虫Kemphues一直在研究的突变体zyg-11。新基因最终被命名为第1部分在其分配表型之后。在某些情况下，通过搜索未能形成内胚层的母体胚胎致命突变体，简化了筛查方法，其余的par基因从类似的筛查中脱落，这是一些首批par突变体中容易得分的表型(Kemphues等人，1988年和坎普斯，2000年). 在这些筛选中，共鉴定出6个par基因，并且每个par基因的多个等位基因已被分离出来。其他几个基因共享par基因的分配表型(Tabuse等人，1998年，舒伯特等人，2000年，Gotta等人，2001年和Tagawa等人，2001年). 为了简洁起见，我们将仅在发现与六个par基因编码的蛋白质直接生物化学相互作用的情况下讨论这些问题。

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图1

Nomarski双细胞胚胎显微照片

野生型母亲（A）和基因型母亲的双细胞胚胎的Nomarski显微照片第1部分（B） ，蛋白酶激活受体-2（C） ，第3部分（D） 和第4部分（E） ●●●●。取自Kemphues等人（1988年）.

最初的突变分析揭示了par基因在秀丽线虫这些基因中的大多数是细胞极化的两个相关方面所必需的，即导致细胞分裂不均的有丝分裂纺锤体的不对称定位，以及对特定细胞之间的细胞命运区分至关重要的一组蛋白质和RNA的不对称定位。由于大多数par基因都在细胞极化的这两个方面的上游起作用，因此它们很可能编码了单细胞阶段细胞极化的核心机制秀丽线虫胚胎。事实上，已经发现一套独立的机制作用于pars的下游，仅在有丝分裂纺锤体定位中起作用(科伦坡等人，2003年，Gotta等人，2003年和Srinivasan等人，2003年). 后来的研究确定，PAR蛋白在秀丽线虫包括参与原肠胚形成的细胞、上皮细胞和迁移细胞(南斯，2005和Welchman等人，2007年).

PAR蛋白的分子鉴定

par基因是秀丽线虫-具体现象，还是动物细胞极化更广泛使用机制的一部分？克隆par基因是回答这个问题的第一步。Kemphues及其同事报告了1994年至2002年间所有六个par基因的克隆(Levitan等人，1994年，Etemad-Moghadam等人，1995年，Guo和Kemphues，1995年，洪堡和坎普斯，1999年，Watts等人，2000年和Morton等人，2002年). 序列立即表明，这些基因编码一种新的细胞内信号通路的组成部分。PAR-1和PAR-4编码丝氨酸苏氨酸激酶。PAR-5是14-3-3蛋白家族的成员，被磷酸化丝氨酸和苏氨酸所吸收。PAR-3和PAR-6具有PDZ结构域，表明它们可以作为信号支架的一部分，PAR-2具有环指结构域，可能在泛素化途径中起作用(摩尔和博伊德，2004年).

这组蛋白质身份并没有立即表明与细胞机制（如分子马达、微丝或微管）有联系，这些机制可能导致不对称。唯一可能的例外是PAR-1，它在酵母中有一个很遥远的亲戚，在细胞极化中起作用(塔桑和勒戈夫，2004年). PAR-1还与哺乳动物微管亲和调节激酶（MARKs）具有序列一致性，MARKs:磷酸化微管相关蛋白。然而，目前还没有明确证据表明PAR-1在秀丽线虫细胞极化(Labbe等人，2003年). PAR蛋白在很大程度上似乎构成了一种新的信号通路。进一步研究PAR蛋白的位置，以及它们的细胞生物学作用和生物化学相互作用，对于理解它们的功能至关重要。

PAR蛋白的不对称定位

所有PAR蛋白在细胞皮层或其附近都有一定程度的富集，并且随着细胞极化的发展，大多数蛋白采用不对称定位模式(坎普斯，2000年). 在单细胞阶段，PAR-3和PAR-6在前皮质中富集，PAR-1和PAR-2在后皮质中富集。PAR-4和PAR-5在这段时间内保持对称定位，同时位于皮层和细胞质(图2).

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图2

PAR蛋白和特定下游蛋白在单细胞阶段定位的一些机制秀丽线虫

（上图）右侧为精子核和中心体核微管。箭头表示随着肌动球蛋白收缩的进行，PAR-2相关的皮层扩散。（下图）有丝分裂纺锤体在所示蛋白质的控制下采用不对称位置。黑线表示遗传相互作用；短灰色线表示生物化学相互作用。用灰色表示的蛋白质并不局限于胚胎的一侧。

由于par突变体在细胞极化中有缺陷，并且一些par蛋白自身变得不对称定位，因此par蛋白可能通过调节马达或通过在细胞皮层建立细胞成分不对称运动所需的条件来驱动自身的不对称定位。研究par突变体中的蛋白质定位表明，一些par蛋白确实在定位其他蛋白时发挥作用，并且这些研究和后来的研究要求秀丽线虫PAR途径(图2). 前部PAR蛋白需要阻止后部PAR蛋白在前部定位，反之亦然(坎普斯，2000年). PAR-5是PAR前后结构域相互排斥所必需的(Morton等人，2002年和Cuenca等人，2003年). 在后部，PAR-1膜的结合部分依赖于PAR-2(Boyd等人，1996年). 接下来的一个大问题是，“这些PAR结构域是如何建立的，PAR结构区的互斥是如何介导的，其他生物体对PAR蛋白的使用是否类似？”

动物细胞极化的基础参与者

直到1998年，PAR蛋白在细胞极化中的作用几乎只在秀丽线虫1998年，克隆了蝇细胞极化基因bazooka，发现其编码一种与PAR-3非常相似的蛋白质(Kuchinke等人，1998年). 发现一种能结合非典型蛋白激酶C（aPKC）的哺乳动物PAR-3同源物在哺乳动物上皮细胞中采用了顶基不对称定位(Izumi等人，1998年)，这导致了秀丽线虫aPKC是一种新的蛋白，具有Par功能丧失表型，并且在前皮层不对称定位，如Par-3和Par-6(Tabuse等人，1998年). 不久后，发现哺乳动物PAR-3、PAR-6和aPKC与小GTPase CDC42复合物存在(Joberty等人，2000年和Lin等人，2000年)，一种古老的极性蛋白，首次在芽殖酵母中发现(约翰逊，1999). 在秀丽线虫，CDC-42结合PAR-6并在将复合物与细胞皮层联系中发挥作用(Cowan和Hyman，2007年).爪蟾卵母细胞和海鞘胚胎细胞也具有不对称定位的复合物成员(Nakaya等人，2000年和Patalano等人，2006年)这表明该复合物在动物细胞极化中具有基础性和古老的作用。其他PAR蛋白也被证明是高度保守的，并且在不同环境下的细胞极化中发挥作用(图3和以下）。

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图3

多系统PAR定位

PAR-3、PAR-6、aPKC、CDC42或其中部分或全部组合在橙色线所示的位置富集，而PAR-1在蓝色线所示位置富集。

PAR蛋白质如何极化细胞，PAR蛋白质是如何极化的？

“也许我们理解中最重要的差距是将PAR蛋白与下游定位事件联系起来的信息。也就是说，PAR蛋白如何介导其他分子的不对称分布？”

—坎普斯，2000年

尽管最近的细胞生物学和生物化学工作已开始缩小这一差距，但这一差距尚未缩小。对不同系统中机制的研究揭示了一种核心信号通路，该通路以不同方式与许多其他通路交叉，表明PAR蛋白通过多种不同机制极化细胞。相反的问题，即PAR蛋白如何在细胞内分离到不同的位置，迄今为止在大多数研究过的系统中都没有答案。在这里，我们回顾了一些PAR依赖性细胞极化机制已经得到很好研究的案例。

秀丽线虫单细胞阶段

这个秀丽线虫单细胞阶段(图2)由于肌动球蛋白皮质向细胞一侧收缩而极化(蒙罗，2006). 受精精子为这种不对称收缩提供了两个可能的线索：精子来源的中心体和一种称为CYK-4的RhoGAP。与其他系统一样，Rho影响肌球蛋白组织并激活该系统中基于肌球蛋白的收缩性(Motegi和Sugimoto，2006年和Schonegg和Hyman，2006年). 精子供应的CYK-4 RhoGAP似乎使Rho局部失活，从而抑制肌球蛋白，打破细胞一侧的收缩肌球蛋白网，使皮层收缩远离精子进入部位(Jenkins等人，2006年和Motegi和Sugimoto，2006年). 精子来源的中心体是如何促成这一现象的尚不清楚。中心体-核微管可以在许多系统中诱导富含微丝的皮层运动(罗德里格斯等人，2003年)但是，除少量中心体相关微管外，清除所有中心体微管的治疗方法无法阻止该系统中的细胞极化，这增加了中心体成分更直接向皮层发出信号的可能性(Cowan和Hyman，2004年).

皮质向一侧的收缩似乎使皮质相关的PAR-3/PAR-6/aPKC复合物向前移动，尽管PAR-6和PAR-2与运动的皮质动态相关的发现表明，PAR蛋白可能在运动的皮质支架上快速交换，而不是自己移动(Cheeks等人，2004年和Munro等人，2004年). 除了这种联系部分取决于复合体成员之间的相互作用外，人们对前复合体如何与细胞皮层联系知之甚少(Cowan和Hyman，2007年). 一旦前皮层PAR蛋白定位在细胞的一侧，后PAR蛋白就可以与后皮层结合，前PAR蛋白从后皮层清除(Cuenca等人，2003年，Cheeks等人，2004年和Munro等人，2004年). 除PAR-1外，所有的PAR蛋白都在皮层的这种运动中发挥作用，但它们如何影响皮层的运动尚不清楚。了解PAR蛋白在皮层运动中的作用将是了解PAR蛋白如何驱动该系统中细胞极化的关键。

一旦建立了两个PAR结构域，PAR蛋白在胚胎两端都具有维持极性的功能。一个包含两种激酶的正反馈环，即前部的aPKC和后部的PAR-1，似乎维持着两个不同的结构域；每个激酶都抑制特定蛋白质的局部结合。在前部，PAR-2的aPKC磷酸化阻止其与皮层的结合(Hao等人，2006年). 在后部，PAR-2通过允许PAR-1在后部皮质堆积，阻止了反向皮质流动，并部分阻止了前部PAR的结合，在后部皮质，这种激酶可能导致前部复合体的局部解体(Cuenca等人，2003年).

PAR蛋白还具有对早期胚胎前后端不同的细胞行为很重要的局部功能。PAR-1局部影响几个关键发育调节因子的浓度，尽管它是否通过这些调节因子的直接磷酸化而影响浓度尚不清楚(Guo和Kemphues，1995年，舒伯特等人，2000年，Huang等人，2002年，DeRenzo等人，2003年，Cheeks等人，2004年和Wu和Rose，2007年). PAR-2和PAR-3在纺锤体向后运动和随后的纺锤体摆动阶段调节胚胎两侧微管上的皮质拉力(Grill等人，2003年和Labbe等人，2004年). 尽管已经确定了几个重要的下游参与者，但PAR-2和PAR-3如何调节定位主轴的力尚不完全清楚(Tsou等人，2002年，科伦坡等人，2003年，Gotta等人，2003年，Srinivasan等人，2003年和Du和Macara，2004年). 这些PAR蛋白似乎至少部分通过确定G蛋白信号调节因子（GPR-1/2）在后皮质的不对称定位和DEP域蛋白（LET-99）在胚胎中心后方的环皮质带中的不对称定位而起作用(图2). GPR-1/2可能在皮层和微管马达之间起到关键的、不对称的局部连接作用，因为它结合皮层G蛋白α亚单位和LIN-5，LIN-5是一种与微管和动力蛋白马达相关的蛋白质。这种联系可能促进微管与后部皮质动力蛋白马达的联系(科伦坡等人，2003年，Gotta等人，2003年，Srinivasan等人，2003年，Du和Macara，2004年，Nguyen Ngoc等人，2007年和Couwenbergs等人，2007年). PAR蛋白也可能通过局部影响微管动力学而起作用：秀丽线虫PAR-3可能间接地起到稳定到达前皮层的微管的作用(Labbe等人，2003年). 稳定的微管可能通过局部阻挡拉力在纺锤体的运动中发挥作用，尽管这还需要测试。

果蝇属卵母细胞发育

中的反雄轴测定果蝇属发生在卵子发生过程中，而不是像秀丽线虫但是，除了线虫特异性蛋白PAR-2外，还涉及同一组PAR蛋白(Tomancak等人，2000年和Cox等人，2001年). 一些PAR也在维持卵母细胞鉴定中发挥早期作用(Huynh等人，2001年). 所有这些功能似乎都与微管有关。例如，前后轴受微管极化方向的偏倚控制，在这种偏倚中，中胚层发生时的大多数负端朝向前部，正端朝向后部。细胞命运决定因子沿着微管被携带到两端。第1部分突变体破坏了这种组织，导致生殖系决定因子如oskar mRNA在卵母细胞后端的定位错误(Shulman等人，2000年). 虽然PAR-1影响两种细胞中微管的稳定性果蝇属作为卵母细胞和哺乳动物细胞，苍蝇蛋白的生化功能不太可能与哺乳动物的MARK相同。例如，PAR-1通过稳定而不是破坏微管的稳定性来影响微管组织，以及MARK磷酸化物似乎在卵母细胞极性中不起作用的类微管相关蛋白(Doerflinger等人，2003年).

有趣的是，在微管极化之前，PAR-1最初被微丝募集到后部，随后被奥斯卡蛋白保留在那里(Doerflinger等人，2006年). 同时，PAR-1磷酸化并稳定奥斯卡，是其后部积累所必需的(Riechmann等人，2002年); 奥斯卡可以在经典的正反馈回路中保留PAR-1并放大微管极化(Zimyanin等人，2007年). 出乎意料的是，PAR-1还通过一种称为Exuperantia的介质的磷酸化调节Bicoid mRNA的前部定位(Riechmann和Ephrussi，2004年).秀丽线虫PAR-1也可能参与控制mRNA定位，因为它可以局部稳定种系核糖核蛋白复合物，这种复合物似乎在皮层运动驱动的逆流中向后移动(Cheeks等人，2004年). 中的PAR-1果蝇属卵母细胞也磷酸化PAR-3，将其排除在后皮质结构域之外(本顿和约翰斯顿，2003年). 这些研究清楚地表明，PAR-1的功能超出了微管动力学的调节范围，因此，在蠕虫和苍蝇以及哺乳动物上皮细胞和神经元中鉴定额外的底物将很有意义。

上皮极化秀丽线虫，果蝇属、和哺乳动物

具有顶端基底极性的上皮片的形成是发育过程中的一个基本过程。这些薄片形成了生物体与其环境之间的接触面，在器官发生过程中，内部薄片可以折叠成绒毛、导管和囊肿。上皮细胞之间的连接提供粘附，并控制片材对离子和分子的渗透性。通过发现一组保守的基因产物（包括PAR蛋白）控制整个后生动物的上皮极化，细胞生物学中出现了一个重要的统一原则。在秀丽线虫在胚胎发生的四细胞期结束时，PAR蛋白的前后向分离发生变化，因此PAR-3和PAR-6定位于顶端表面，对于与原肠胚形成相关的顶端-基底不对称至关重要(Nance等人，2003年). 如上所述，PAR-3的苍蝇直系图在果蝇属上皮细胞也可驱动顶底极化(Kuchinke等人，1998年); 在哺乳动物上皮细胞中，PAR-3定位于顶端/侧面边界的紧密连接处(Izumi等人，1998年)、及其程序集中的函数(Chen和Macara，2005年).果蝇属上皮细胞具有间隔连接而不是紧密连接，它们相对于粘附连接的位置有很大不同；然而，在这两种细胞类型中，PAR-3均位于顶端/外侧边界。

这种分子保守性延伸到了从苍蝇筛网中鉴定出的其他极性蛋白质，它们在极化中起到了更多的上下文限制作用。例如，Crumbs蛋白（CRB）控制蠕虫、苍蝇和脊椎动物的顶端表面或顶端连接组件（或两者）的延伸(马卡拉，2004年，Segbert等人，2004年和Chalmers等人，2005年). CRB与一个由Stardust和Patj（哺乳动物中的PALS1和Patj）组成的复合体有关，该复合体位于苍蝇和哺乳动物上皮的顶端/侧面边界，对正常极化至关重要（有关综述，请参阅马卡拉，2004年). 第二组蛋白质，包括Scribble（SCRB）、Discs-large（DLG）和Lethal-giant-larvae（LGL），与后生动物上皮细胞的外侧皮层有关(马卡拉，2004年). Tepass和Perrimon小组的优雅实验表明，这些不同的组在遗传上相互作用，以确定果蝇属(Bilder等人，2003年和Tanentzapf和Tepass，2003年). SCRB组通过抑制PAR-3复合体的功能来抑制基底外侧表面上的顶膜特性，而PAR-3复合物招募CRB，从而拮抗顶表面的SCRB活性。

这些遗传相互关系反映了三组极性蛋白之间的物理相互作用，这些极性蛋白最初是通过哺乳动物的直系同源物识别的，它们与PAR蛋白的信号功能有关。PAR-6作为aPKC的靶向亚单位，它招募了两个CRB(Hurd等人，2003年，Lemmers等人，2004年和Sotillos等人，2004年)和LGL作为基底(Betschinger等人，2003年，Plant等人，2003年和Yamanaka等人，2003年). CRB磷酸化的目的尚不清楚，尽管它对心尖-基底极化在果蝇属(Sotillos等人，2004年). 然而，LGL磷酸化的一个重要结果是它触发了LGL从细胞皮层的分离。由于PAR-6/aPKC复合物是顶端的，而LGL通常是基底外侧的，只有误入错误区域的LGL分子才会被磷酸化。因此，PAR-6/aPKC保持了心尖区的完整性。类似的机制可以使PAR-1极性蛋白远离顶端表面。然而，在这种情况下，机制是更详细地已知的。aPKC对PAR-1的磷酸化允许PAR-5的结合，PAR-5抑制PAR-1激酶活性并阻断膜结合(Hurov等人，2004年和铃木等人，2004年). 相反，位于外侧皮质的PAR-1可以磷酸化扩散到其区域的任何PAR-3。磷酸化的PAR-3结合PAR-5并从细胞皮层释放，从而阻止PAR-3扩散到PAR-1占据的侧域(图4). 类似地，LGL可以进入苍蝇上皮细胞，将PAR-6从基底外侧皮质中排除(Hutterer等人，2004年)，可能通过与PAR-6结合并取代PAR-3(Yamanaka等人，2006年). 因此，PAR蛋白在磷酸化、PAR-5结合和竞争性结合的驱动下，通过互斥系统维持（并可能建立）最初分离成单独的结构域。这个系统很好地解释了PAR蛋白在秀丽线虫合子，解释了为什么PAR-5并没有以不对称的方式分布，但对极化来说却是必要的。

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图4

PAR信号通路：磷酸化和结合

PAR信号通路；PAR-5的磷酸化和结合为不同PAR结构域的相互排斥提供了机制。左边，扩散到顶端结构域的PAR-1被aPKC磷酸化，抑制PAR-1激酶活性并诱导PAR-5结合，进而触发释放到细胞质。类似的机制可能控制LGL、Numb和XGAP的皮质附着。扩散到基底外侧结构域的PAR-3被PAR-1磷酸化，从而诱导PAR-5结合并释放到细胞质中。

然而，该模型并不完整，因为它没有解释PAR-6/aPKC复合体是如何被调控的。是什么使其维持在顶端表面，又是什么阻止其磷酸化整个细胞的底物？一个关键因素是小GTPase，CDC42。引人注目的是，aPKC活性几乎完全被其与PAR-6的结合所抑制，但这种抑制被CDC42部分缓解，CDC42结合PAR-6 Crib结构域(Yamanaka等人，2001年，Garrard等人，2003年和Atwood等人，2007年). CDC42还增加PAR-6与PALS1的结合，这可能会增加CRB磷酸化(Hurd等人，2003年). 此外，CDC42在细胞皮层PAR-6/aPKC定位中起着关键作用。CDC42-GTP对于将PAR-6募集到成神经细胞和上皮细胞的顶端皮层至关重要果蝇属(Hutterer等人，2004年和Atwood等人，2007年). Keith Mostov的实验室正在研究MDCK哺乳动物上皮细胞，它还发现CDC42对于PAR-6/aPKC的正确定位以及在3D培养中生长的细胞的正常根尖极化是必要的(Martin-Belmonte等人，2007年).

这些观察提出了一个不可避免的问题，即是什么招募或激活了CDC42。PAR-3位于果蝇属成神经细胞(Atwood等人，2007年)并作用于胚胎上皮细胞中PAR-6/aPKC的上游(哈里斯和佩弗，2005年)，但这些蛋白质之间的分子联系尚不清楚。由于历史原因，综述通常提及PAR-3/PAR-6/aPKC复合物，暗示这三种蛋白质是组成性相互连接的。事实上，这种复合物可以通过与CDC42结合从哺乳动物细胞中分离出来。然而，很明显，它们也可以独立行动，可以在功能和空间上分离。例如，在胚胎期果蝇属上皮细胞，PAR-3定位于PAR-6和aPKC下方的粘附连接处(哈里斯和佩弗，2005年)，并在极化期间作用于这些蛋白质的上游。此外，PAR-3的定位与动力蛋白有关，而PAR-6和aPKC的定位与动力蛋白无关。PAR-3的动力蛋白依赖性定位表明，PAR极性最初由细胞骨架极性决定(图5). 哺乳动物MDCK上皮细胞在3D培养中经历顶基极化时也出现类似情况。这些细胞中的PAR-3主要位于相邻细胞之间的紧密连接处，而aPKC和PAR-6也存在于顶端表面和细胞质中(Yamanaka等人，2003年和Martin-Belmonte等人，2007年). 因此，我们预计PAR-3和CDC42之间的信号传递涉及其他因素。

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图5

PAR信号通路：输入和输出

该示意图显示了PAR-3/PAR-6/aPKC极性蛋白与多种其他信号网络之间的联系。该方案的组成部分来自不同的模型系统，其细节不太可能对所有生物体或极化过程通用。因此，这有点推测性，但确实表明了一种可能的机制，通过这种机制，细胞骨架组织可以触发磷脂酰肌醇代谢的局部变化，进而通过CDC43-GTP定位PAR-6/aPKC。

苍蝇和哺乳动物细胞研究的线索表明，这些因素控制着磷脂代谢。果蝇属PAR-3直接与磷脂酰肌醇磷酸酶PTEN结合(von Stein等人，2005年)和在光感受器上皮细胞中果蝇属PAR-3将PTEN募集到外侧粘附连接处，导致PIP3在顶端表面富集，这对微绒毛的组织是必要的(Pinal等人，2006年). 独立地，对MDCK细胞的研究表明，PIP2在顶膜的富集是CDC42募集的原因(Martin-Belmonte等人，2007年). 在这些细胞中，产生PIP3的PI-3激酶与外侧表面的粘附连接有关，而PTEN位于顶端表面，可以破坏PIP3(图5). 值得注意的是，磷脂酰肌醇可以定义皮层的特性；外源性PIP2添加到基底外侧表面触发了顶端蛋白向该表面的募集(Martin-Belmonte等人，2007年). 相反，PIP3可以指定基底外侧身份(Gassama-Diagne等人，2006年和Martin-Belmonte等人，2007年)，因为将外源性PIP3添加到心尖表面足以驱动基底外侧蛋白在该表面的短暂定位并排除心尖蛋白。内源性PIP3只存在于MDCK细胞的基底外侧膜上。也许反馈系统使PAR蛋白能够确定不同皮层结构域中磷脂酰肌醇的平衡，进而调节PAR蛋白的定位。然而，在不同的生物体中，定义这些关系的分子细节可能是不同的。例如，哺乳动物PAR-3不与PTEN共定位，也没有发现与这种磷酸酶相关；此外，在果蝇属PIP2没有定义视网膜上皮。此外，对于控制CDC42-GTP水平的GEF和GAP还一无所知(图5). 这些因子也可能在空间上被分离，并被磷脂酰肌醇招募或激活。确定类似机制是否控制PAR在秀丽线虫胚胎。

另外两种PAR蛋白，PAR-1和PAR-4，也参与上皮极化。在哺乳动物细胞中，PAR-1决定微管的组织，微管反过来决定管腔表面的位置(Cohen等人，2004年). 高PAR-1活性可将具有垂直微管和顶部管腔表面的柱状上皮细胞转化为具有水平微管和管腔的肝型上皮细胞，并在相邻细胞之间形成管腔。PAR-1被磷酸化并被PAR-4激活。哺乳动物PAR-4也称为LKB1，因其与Peutz-Jeghers癌症综合征（PJS）相关而受到严格审查。这种疾病主要累及胃肠道、胰腺、肺部和生殖器官的上皮细胞(Baas等人，2004年)，尽管PAR-4普遍表达(Alessi等人，2006年). PJS患者经常有截断激酶结构域或导致表达缺失的突变。在哺乳动物中，PAR-4作为一种主激酶发挥作用，可以磷酸化并激活至少14种下游激酶，包括PAR-1，并且除了细胞极化和不对称细胞分裂外，它还参与代谢控制、细胞生长和有丝分裂(Alessi等人，2006年). 似乎不同的下游激酶调节这些不同的过程。即使在没有细胞-细胞接触的情况下，高PAR-4/LKB1活性也能驱动孤立上皮细胞的极化，但这一过程所必需的关键下游激酶之一似乎不是PAR-1，而是AMPK，一种以前被认为主要是对能量剥夺作出反应的代谢调节器的激酶(Lee等人，2007年和Mirouse等人，2007年). 值得注意的是，组成活性AMPK可以修复许多在果蝇属lkb1缺失突变体，显然是通过肌球蛋白轻链磷酸化，以及AMPK或PAR-4/lkb1的丢失导致上皮细胞极性的应激依赖性丢失。相反，能量剥夺激活AMPK可以驱动上皮细胞极化。这些结果揭示了能量代谢和极性/增殖途径之间意外的联系，现在的一个重要目标是确定AMPK和PAR极性机制之间的联系。

苍蝇和哺乳动物的神经发育

神经元来源于经历不对称细胞分裂的前体神经上皮细胞。注定要成为神经元的子细胞产生的延伸部分最初看起来是各向同性的，但开始极化，一个延伸部分继续生长并成为轴突，而其他延伸部分则分支并成为树突。轴突顶端的生长锥检测到环境中引导生长方向的吸引和排斥信号。邻近神经元的轴突和树突形成突触接触，使信息从轴突传递到树突。在哺乳动物中，兴奋性突触通常形成于树突棘上，树突棘是微细蘑菇等富含肌动蛋白的结构，对认知至关重要。因此，神经发育是研究一系列极性问题的一个很有吸引力的模型，因为它结合了细胞命运规范（如秀丽线虫合子）极化为轴突和树突，使人联想到顶端-基底极化，并伴有突触发生，与上皮细胞间连接组装类似。

成神经细胞的不对称细胞分裂在果蝇属事实上，这个强大的模型系统提供了我们目前关于极化机制和细胞命运决定机制的大部分知识（有关最近的综述，请参阅Yu等人，2006年). 创建不同的子细胞需要将细胞命运决定因素分离到母细胞的两端，有丝分裂纺锤体的方向应确保细胞分裂平面与极化轴正交。这确保了只有一个子细胞会接受驱动分化的命运决定因素。PAR-3决定了这两个过程：决定簇Numb和Miranda的基础定位，以及有丝分裂纺锤体的定向(Yu等人，2006年)，而PAR-6/aPKC似乎仅对决定簇的定位是必需的(罗尔斯等人，2003年). 纺锤体定向涉及一种独特的信号通路，在细胞从上覆上皮分层的过程中，PAR-3定位于成神经细胞顶端表面的新月体，并招募一种称为Inscutable（Insc）的蛋白质(Schober等人，1999年，Schaefer等人，2000年，Yu等人，2000年和蔡等，2003). Insc反过来招募一种名为Pins的蛋白质，该蛋白质与异三聚G蛋白αi亚基（Gαi）和Mud（一种微管相关蛋白）结合(Bowman等人，2006年，Izumi等人，2006年和Siller等人，2006年) (图6). 哺乳动物和秀丽线虫在哺乳动物细胞中，PAR-3结合一种与Insc具有弱同源性的蛋白质，后者又结合LGN，即哺乳动物的Pins同源基因。Pin可以与NuMA（一种微管结合蛋白）和Gαi（组成性存在于细胞皮层）结合。此关联触发Pins从闭合构象切换到开放构象，允许与NuMA更稳定的关联(Du等人，2001年，Du和Macara，2004年和Lechler和Fuchs，2005年). 如上所述，GPR-1/2执行与中的LGN/Pin类似的功能秀丽线虫由此产生的蛋白质复合体通过一种未知机制改变星形微管上的张力或皮层附着，从而使中期染色体移动到不对称细胞分裂的正确方向。因此，在这种情况下，PAR-3似乎起到了空间定位信令平台的作用。

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图6

PAR-3在神经元分化中的多重功能

PAR-3在成神经细胞不对称分裂、轴突规范、树突状棘成熟和雪旺细胞功能中起着关键作用。与不同合作伙伴的互动似乎推动了这些单独的功能。

当一个突起延伸成为轴突，而所有其他延伸成为树突时，神经元分化的关键决定就发生了。这一决定的分子基础一直是哺乳动物细胞深入研究的主题，几个PAR蛋白与这一决定有关。PAR-3通过正向终末驱动蛋白KIF3A沿微管转运至轴突的生长端，其定位于新生轴突尖端需要一种称为APC的正向终末结合蛋白和一种蛋白激酶GSK3β(Nishimura等人，2004年和Shi等人，2004年) (图6). 然而，PAR-3定位的分子细节仍不清楚。磷脂酰肌醇似乎也参与了这一过程，但其确切的作用机制尚不清楚。此外，PAR-3的主要干扰片段或aPKC的抑制可以阻断轴突的特异性(Shi等人，2003年). 然而，本研究中使用的aPKC抑制剂没有特异性，PAR-3突变体的异位表达可能通过错误定位其他蛋白质间接起作用，因此PAR-3在轴突规范中发挥关键、直接作用的情况并非无懈可击。没有报道击倒或击倒研究表明PAR-3参与了这一过程。此外，轴突规范与PAR-3无关果蝇属(Rolls和Doe，2004年).

神经极化也依赖于PAR-4极性蛋白，并通过蛋白激酶A通过PAR-4的磷酸化来刺激，该蛋白激酶A可传递神经细胞生长抑制信号(Shelly等人，2007年). 有趣的是，PAR-4上的相同磷酸化位点是细胞周期调节和极性建立所必需的果蝇属，但它的功能仍然很神秘(马丁和圣约翰斯顿，2003年)，因为它不刺激PAR-4激酶活性。一种可能性是它将激酶靶向特定的细胞位置或底物。PAR-4下游的两种激酶，即SAD-A和SAD-B，在大脑中高水平表达，并介导PAR-4对神经元极化的影响(Barnes等人，2007年).

如上所述，PAR-4下游的另一个激酶是PAR-1，它对哺乳动物和苍蝇微管组织的调节非常重要。事实上，第一批哺乳动物PAR-1同源基因MARK被纯化为激酶，磷酸化微管相关蛋白，如tau、MAP2和MAP4(Drewes等人，1997年). 这些微管相关蛋白在结合时稳定微管，磷酸化使其与微管分离。微管动力学随之发生的变化具有重要的影响，这些影响因细胞类型而异。Tau是轴突中关键的微管相关蛋白，PAR-1可以影响轴突的生长、轴突的规格和轴突的运输(Biernat等人，2002年). tau的过度磷酸化被认为在阿尔茨海默病中起作用，有证据表明PAR-1可以启动过度磷酸化级联反应。然而，SAD-A和SAD-B也介导神经元中微管相关蛋白的磷酸化，所有这些激酶对神经元极化和功能的相对贡献尚待阐明。从中的研究可以清楚地看出果蝇属PAR-1具有许多不同于调节微管稳定性的其他功能的卵母细胞，例如，它是否控制RNA在神经元中的定位或稳定性将引起人们的兴趣。

PAR-1的一个已知目标是Dishevelled（DVL）。这种支架蛋白是Wnt信号通路的核心成分。Wnt通过一条信号通路（所谓的标准通路）调节基因表达和细胞命运决定，而多种非标准形式的Wnt信号通路可以影响细胞极性。值得注意的是，PAR-1可以磷酸化DVL并调节非经典WNT信号，而PAR-1的一个不同亚型通过一个单独但迄今未知的机制调节经典WNT信息(Sun等人，2001年和Ossipova等人，2005年). 张和同事最近发现，在海马神经元中，DVL与PKC结合并激活(Zhang等人，2007年). 引人注目的是，这种相互作用似乎是直接的，并不是通过PAR-6介导的。与DVL的关联也稳定aPKC，并由WNT5a促进，后者增加PAR-1的磷酸化并促进轴突分化。如下文所述，这种相互作用似乎在细胞迁移中也很重要。因此，许多PAR蛋白会影响WNT信号传导，因此了解这些输入是如何整合和/或相互隔离的将非常重要。

哺乳动物神经元中PAR-3的另一个功能是树突棘形态发生(图6). 脊椎从树突轴中长出丝状体，与轴突接触后形成突触并膨胀成成熟的蘑菇状脊椎。大鼠海马神经元中PAR-3表达的沉默现象复制了Rac激活突变体的表达，该突变体阻止成熟，导致树突的丝状突起样延伸，而树突不形成功能性突触(Zhang和Macara，2006年). PAR-3通过TIAM1（RacGEF）发挥作用，沉默PAR-3表达的效果可以通过降低TIAM1水平或表达显性阴性Rac突变体来逆转。TIAM1与PAR-3的C末端区域结合，这两种蛋白质通常定位于脊椎尖端。因此，在这种情况下，PAR-3的功能是在空间上限制信号蛋白，否则信号蛋白可能会激活神经元错误区域的Rac。PAR-3的过度表达可以产生与PAR-3丢失相似的表型，因为过度表达的蛋白不能正确定位，这损害了TIAM1的空间限制。

有趣的是，PAR-6对树突棘形态发生也至关重要，但它似乎独立于PAR-3起作用，并发挥着独特的功能，因为PAR-6的缺失会导致棘的丢失，而不是未成熟棘的形成。相反，PAR-6的过度表达增加了树突沿线的脊椎密度。虽然PAR-3通过TIAM1调节Rac活性，但PAR-6似乎通过调节RhoA活性的p190 RhoGAP控制脊柱形成（H.Zhang和I.G.Macara，未发表数据）。这种调节是否涉及aPKC对p190的磷酸化尚待确定。

PAR-3在大脑发育中还发挥其他功能。例如，它与雪旺细胞的分化有关，雪旺细胞在轴突周围形成绝缘鞘。PAR-3在施旺细胞中定位于轴突/神经胶质细胞边界，在那里它与p75神经营养因子受体结合(Chan等人，2006年). 这种相互作用对髓鞘形成至关重要，髓鞘形成由脑源性神经营养因子（BDNF）的分泌触发，BDNF是p75的激动剂。在这种情况下，PAR-3可能在空间上限制p75活性，或限制受体的其他效应器，这些效应器对启动髓鞘化程序至关重要。

从神经元发育的概述中得出的结论是，PAR蛋白在不同的环境中发挥作用，并与多种信号通路交叉以控制细胞形态发生。类似的途径似乎也参与了细胞定向运动的控制，如下所述。

极化细胞迁移

细胞迁移在发育和形态发生、伤口愈合和癌症中至关重要。迁移可以是定向的，也可以是随机的（至少在体外），但在每种情况下，细胞都必须极化，产生前端和后端。肌动蛋白和微管细胞骨架都是迁移的关键因素，但它们的作用因细胞类型而异。尽管如此，考虑到PAR蛋白影响细胞骨架动力学的多种方式，人们可能会期望它们在迁移过程中密切参与细胞极化。然而，令人惊讶的是，到目前为止，这只适用于某些细胞类型。迄今为止，还没有证据表明专门的迁移者——黏菌、网柄菌和哺乳动物中性粒细胞——使用PAR信号，尽管它们利用磷脂酰肌醇来极化细胞运动(Affolter和Weijer，2005年). 然而，像成纤维细胞和星形胶质细胞这样迁移速度慢得多的细胞确实需要PAR蛋白来定向自身。

尽管Catherine Nobes和Alan Hall已经证明CDC42在伤口愈合过程中建立成纤维细胞极化迁移中很重要(Nobes and Hall，1999年)直到发现CDC42可以结合PAR-6极性蛋白之前，其作用机制仍然未知(Joberty等人，2000年和Lin等人，2000年). 霍尔小组随后证明，在星形胶质细胞中，PAR-6/aPKC介导中心体相对于细胞核和运动轴的迁移和定向(艾蒂安·曼尼维尔和霍尔，2001年). 在成纤维细胞中也发现了类似的需求(Schlessinger等人，2007年). 微管极化和动力蛋白介导的张力对这一过程很重要。在星形胶质细胞中，蛋白激酶GSK3β作用于PAR-6/aPKC的下游，其他极性蛋白包括DLG和SCRB也被牵连，尽管这些不同的蛋白如何相互联系尚不清楚(Etienne-Manneville等人，2005年和Osmani等人，2006年). 最初，中心体定向被认为需要aPKC对GSK3β进行磷酸化，但现在很清楚，GSK3α磷酸化并不直接参与，而是被DVL抑制，通过WNT5a下游的aPKC发挥作用(Schlessinger等人，2007年). 因此，PAR通路与WNT信号交叉。

值得注意的是，WNT信号传导对于脊椎动物原肠胚形成过程中的细胞运动也是必要的，人们很容易推测它可能通过PAR-6/aPKC在这一过程中发挥作用。事实上，对原肠胚形成期间细胞运动的研究爪蟾胚胎揭示了aPKC在磷酸化ArfGAP中的新功能(Hyodo-Miura等人，2006年). 这种蛋白，XGAP（ArfGAP1），是原肠胚形成所必需的，并与aPKC/PAR-6在进行前伸活动的区域显示出相互依赖的定位。磷酸化的XGAP与PAR-5结合，但这种结合是否改变其膜结合尚待测试。突触活性需要Rho和Rac GTPase的协同激活，多年来人们已经知道DVL可以通过独立和平行的途径激活这两种GTPase，但其潜在的分子机制仍不清楚(Wallingford和Habas，2005年). 然而，鉴于PAR-6/aPKC可以通过p190调节Rho活性，而PAR-3可以通过TIAM1调节Rac活性(Chen和Macara，2005年)一个有趣的推测是PAR蛋白将DVL与这些GTPase偶联。因此，在许多情况下，PAR-DVL轴可以在极化期间整合微管动力学（通过GSK3β）和肌动蛋白动力学（通过Rho/Rac GTPases）。

PAR蛋白还可能通过两条完全不同的途径影响细胞迁移：Numb介导的整合素内吞和Smurf1介导Rho降解。后一种途径与TGFβ特异性诱导的乳腺上皮细胞极性丢失有关。Smurf1是一种E3连接酶，在TGFβ途径中泛素化许多蛋白质。有趣的是，它还可以泛素化RhoA，一种控制肌动蛋白动力学的小GTPase(Wang等人，2003年). Smurf1优先识别非活动的、GDP绑定的RhoA。aPKC将Smurf1招募到细胞皮层，在那里RhoA的破坏允许长时间活动和细胞运动(Wang等人，2003年和Sahai等人，2007年). 这条通路似乎与形态变化有关，包括紧密连接的丢失。位于连接处的TGFβ受体可以结合并磷酸化Ser 345上靠近C端的PAR-6，从而增强Smurf1的结合(Ozdamar等人，2005年); 然后，蓝精灵1在紧密连接处触发RhoA的破坏，导致其分解。PAR-6的磷酸化如何导致Smurf1的补充尚不清楚，因为Smurf1-也直接与aPKC结合。一个重要的问题是，这种途径在控制Rho功能中的分布有多广，因为RhoA至少存在于一些迁移细胞的前沿（并被激活）(Kurokawa等人，2005年和Pertz等人，2006年). 此外，如上所述，PAR-6/aPKC还可以通过p190调节RhoA-GTP水平，看看这两种不同的机制在不同的环境中是如何平衡的将很有意义。

Numb是一种特定货物内吞所需的衔接蛋白，包括Notch，一种保守的跨膜受体，在后生动物发育过程中的许多环境中控制细胞命运规范。在果蝇属，PAR蛋白在神经母细胞和感觉器官前体细胞分裂期间维持Numb的不对称位置，从而确保Notch信号在两个子细胞之一中受到抑制。正如Lgl和PAR-1一样，aPKC磷酸化Numb，从而将其排除在PAR-6/aPCK复合物占据的细胞皮层区域之外(Smith等人，2007年). 尽管尚未证明，但对于上述其他aPKC底物的释放，似乎需要磷酸化Numb与PAR-5的结合。然而，最近Numb也被确定为迁移细胞中极化整合素内化的关键调节因子(西村和凯布其，2007年). 在这种情况下，aPKC的磷酸化触发其从整合素和网格蛋白涂层结构中释放，从而阻断内吞作用。Nishimura和Kaibuchi还表明，Numb与PAR-3和PAR-6的结合较弱，并且aPKC或PAR-3的敲除会损害迁移过程中Numb的定位(西村和凯布其，2007年). 他们认为，PAR-3招募Numb通过aPKC进行磷酸化，但不清楚这是如何发生的，因为PAR-3通过激酶结构域结合aPKC，是aPKC磷酸化的底物。因此，预计它将作为竞争底物，而不是招聘因素。尽管如此，Numb与PAR-6的弱相互作用表明，在这种情况下，PAR-6不需要作为靶向亚单位。

这篇综述表明，PAR蛋白构成一条信号通路，与许多其他通路交叉，以组织细胞骨架、膜交通和其他细胞成分，从而在定向迁移过程中极化细胞。然而，我们似乎很可能才刚刚开始理解PAR信号的复杂性，许多其他蛋白质在特定的细胞环境中与这些极性蛋白质相互作用。

PAR极性系统的演化起源

PAR蛋白在不同动物中的功能表明，在古代动物中，存在依赖于除PAR-2（即迄今为止的线虫特异性蛋白）以外的每个PAR蛋白的细胞极化机制。PAR极性系统的发展有多早，它们最初的功能是什么？除了动物外，几乎没有证据表明PAR极性系统。酵母有一种激酶，与PAR-1和14-3-3蛋白极为相似，与PAR-5相似，这些蛋白在细胞骨架极化中发挥作用(Lottersberger等人，2007年)但酵母PAR-1样和PAR-5样蛋白并不像在动物系统中那样协同工作。Choanoflagellates是早期多细胞动物的近亲(Lang等人，1999年)，编码一种显著类似PAR-1的蛋白质和一种类似PAR-5的蛋白质，但目前还没有证据表明这些蛋白质在长鞭毛虫的细胞极化中起作用。目前还没有证据表明，PAR蛋白在任何双侧前动物门（如cnidarians或ctenophores）的细胞极化中发挥作用。

鉴于已知PAR蛋白在动物系统中的功能，出现了这样一个画面，即除了PAR-2之外，所有PAR蛋白都可能是5亿多年前细胞极化机制中的基本参与者，它们是秀丽线虫，果蝇属哺乳动物和所有其他双边动物。其中一些蛋白质，如PAR-1和PAR-5，可能在细胞极化中起到更早的作用。根据目前的数据，这些蛋白质的早期作用是在细胞迁移、胚胎极化、神经元极化、上皮极化还是整个单细胞生物的极化中，尚无法确定。

PAR蛋白在细胞极化中所起的生物化学作用的显著多样性令人印象深刻，可以想象，通过进化修补，可以利用一个古老的精确极性激酶活性系统来产生这种显著的多样性。虽然对模型生物中PAR蛋白的研究可以进一步解决PAR蛋白在细胞极化中的作用机制，但对传统模型生物外PAR蛋白作用的研究可以解决PAR蛋白质的古老作用，以及进化阐明PAR蛋白在细胞极化中新作用的途径。

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