細胞極性是指細胞内呈現形态、結構和功能上的不對稱分布，包括頂端-基底極性（Apical-basal polarity）和平面細胞極性（Planar cell polarity，PCP）。平面細胞極性決定了生物個體中前後軸的形成，與多種生理過程相關，如體毛和鱗片的定向生長、纖毛的極性分布、以及胚胎發育過程中細胞的會聚延伸（Convergent extension）、遷移和器官發生等。平面細胞極性的建立與細胞中兩個進化上高度保守的核心蛋白質複合物在細胞膜水平方向上的不對稱分布相關，包括在細胞膜近端分布的Van Gogh-like（Vangl）-Prickle（Pk）和在細胞膜遠端分布的Fizzled（Fzd）-Dishevelled-like（Dvl）。此外，PCP核心複合物還包括在細胞膜兩側對稱分布的Celsr，該蛋白在相鄰細胞間形成同源二聚體促進細胞黏附并穩定兩個複合物的極性定位（圖1）。

圖1. 平面細胞極性複合物模式圖

目前的研究認為，組織極性主要通過Wnt濃度梯度調控（圖2）。Fzd是Wnt信号通路的重要受體，在非經典Wnt/PCP信号通路（Non-canonical Wnt/PCP signalling ）中，Fzd接收Wnt信号後激活下遊信号通路，最終促進細胞骨架的重組和形态變化，在調節細胞極性和促進遷移中發揮關鍵作用（圖2）。圍繞Fzd的研究已有很多，但同為PCP核心複合物的Vangl-Pk卻鮮少受到關注，其結構特征和在PCP中的具體功能仍然不明确。

圖2. 非經典Wnt/PCP信号通路

2025年1月3日，beat365官方网站張哲課題組和鄭鵬裡課題組在Nature Communications發表了題為“Structural basis of human VANGL-PRICKLE interaction”的研究論文。該文章報道了兩個人源VANGL蛋白（VANGL1和VANGL2）、以及它們與PK1蛋白的複合物結構。結合生化和細胞成像實驗，這項研究闡明了VANGL和PK蛋白相互作用的分子機制以及潛在的生物學功能。

研究團隊首先利用冷凍電鏡解析了人源VANGL1和VANGL2蛋白的高分辨率結構。二者均組裝成具有D3對稱性的六聚體，首先由單體組成緊密結合的三聚體，然後兩個三聚體的胞内域通過進一步相互作用形成六聚體（圖3）。

圖3. VANGL六聚體結構及拓撲結構圖。

A. VANGL的六聚體結構。B. VANGL單體的拓撲結構和結構域排列示意圖。C. VANGL三聚體的組裝方式。D. VANGL跨膜域（TM）通過TM2-TM4相互作用形成穩定的三聚體結構。E. VANGL底部α螺旋束結構域（HBD）通過相互作用形成了一個穩固的三角形基底。F. VANGL三聚體二聚化界面。

接下來，研究團隊進一步解析了VANGL1-PK1複合物的冷凍電鏡結構，深入探究它們相互作用的分子機制。通過結構分析，研究團隊在VANGL1兩個三聚體的交界處發現了額外的電鏡密度，推測其可能來源于PK1蛋白（圖4 A, B）。但是，由于PK1與VANGL1的結合并不穩定，僅僅依靠電鏡密度無法對PK1進行結構模型搭建。因此，作者利用多種手段繼續對二者的作用機制進行探索。首先，突變分析确認了VANGL1蛋白利用六聚體界面處的多個堿性氨基酸殘基與PK1互作（圖4 C, E）。基于此，團隊推測PK1可能借助自身帶負電的酸性氨基酸殘基，通過靜電相互作用與VANGL結合。于是，研究團隊通過系統的生化和結構分析，并結合AlphaFold3預測，最終定位到PK1蛋白中接近C端的46個氨基酸殘基片段PK1^745-790（745-790位氨基酸殘基）在與VANGL的相互作用中發揮關鍵作用（圖4 D-F）。

最後，為了闡釋VANGL-PK1複合物的生物學功能，研究團隊比較了單獨的VANGL蛋白以及VANGL-PK1複合物在U2OS細胞内的定位情況。結果顯示，VANGL單獨存在時主要定位于細胞内的溶酶體和晚期内體，而PK1可以定向将攜帶VANGL的囊泡募集到質膜前端（圖4 G）。因此，研究團隊指出，PK1除了作為VANGL的下遊成員，負責招募其它PCP通路蛋白以外，還可能在VANGL的細胞内運輸以及質膜定位方面發揮重要作用（圖4 H）。然而，具體的分子機制還有待進一步研究。

總之，這項工作首次揭示了VANGL蛋白的六聚體組裝方式，并闡明了VANGL-PK相互作用的分子機制和潛在功能。這為研究PCP的建立過程以及調控機制提供了新的視角和思路。

圖4. VANGL-PK1相互作用機制。

A. VANGL1-PK1與VANGL1電鏡密度圖及結構對比。B. PK1的電鏡密度位于VANGL1六聚體界面上富含正電荷的區域。C. VANGL1與PK1相互作用的10個堿性氨基酸殘基。D. PK1與VANGL相互作用區域示意圖。E. Pull-down實驗驗證VANGL-PK1相互作用。F. VANGL-PK1^745-790電鏡密度圖。G. VANGL1和VANGL1-PK1在U2OS細胞中的定位。H. VANGL-PK1複合物在細胞内的組裝模式圖。

beat365官方网站張哲研究員、鄭鵬裡研究員為本文共同通訊作者。北京大學前沿交叉學科研究院2022級博士生宋彥儀、beat3652022級博士生簡舒怡為本文共同第一作者。beat365官方网站滕俊琳教授為本研究提供了重要指導。此外，beat365官方网站公共儀器中心鳳凰工程蛋白質平台的胡君、beat365官方网站朱健教授、以及朱健實驗室的副研究員劉敏博士和科研助理馮婧均對本研究做出重要貢獻。

本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、生命科學聯合中心、膜生物學國家重點實驗室、細胞增殖與分化教育部重點實驗室、beat365官方网站以及北京大學成都前沿交叉生物技術研究院創新基金的資助；并依托北京大學冷凍電鏡平台和beat365公共儀器中心鳳凰工程蛋白質平台的技術支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55396-3