细胞极性是指细胞内呈现形态、结构和功能上的不对称分布，包括顶端-基底极性（Apical-basal polarity）和平面细胞极性（Planar cell polarity，PCP）。平面细胞极性决定了生物个体中前后轴的形成，与多种生理过程相关，如体毛和鳞片的定向生长、纤毛的极性分布、以及胚胎发育过程中细胞的会聚延伸（Convergent extension）、迁移和器官发生等。平面细胞极性的建立与细胞中两个进化上高度保守的核心蛋白质复合物在细胞膜水平方向上的不对称分布相关，包括在细胞膜近端分布的Van Gogh-like（Vangl）-Prickle（Pk）和在细胞膜远端分布的Fizzled（Fzd）-Dishevelled-like（Dvl）。此外，PCP核心复合物还包括在细胞膜两侧对称分布的Celsr，该蛋白在相邻细胞间形成同源二聚体促进细胞黏附并稳定两个复合物的极性定位（图1）。

图1. 平面细胞极性复合物模式图

目前的研究认为，组织极性主要通过Wnt浓度梯度调控（图2）。Fzd是Wnt信号通路的重要受体，在非经典Wnt/PCP信号通路（Non-canonical Wnt/PCP signalling ）中，Fzd接收Wnt信号后激活下游信号通路，最终促进细胞骨架的重组和形态变化，在调节细胞极性和促进迁移中发挥关键作用（图2）。围绕Fzd的研究已有很多，但同为PCP核心复合物的Vangl-Pk却鲜少受到关注，其结构特征和在PCP中的具体功能仍然不明确。

图2. 非经典Wnt/PCP信号通路

2025年1月3日，bat365中文官方网站张哲课题组和郑鹏里课题组在Nature Communications发表了题为“Structural basis of human VANGL-PRICKLE interaction”的研究论文。该文章报道了两个人源VANGL蛋白（VANGL1和VANGL2）、以及它们与PK1蛋白的复合物结构。结合生化和细胞成像实验，这项研究阐明了VANGL和PK蛋白相互作用的分子机制以及潜在的生物学功能。

研究团队首先利用冷冻电镜解析了人源VANGL1和VANGL2蛋白的高分辨率结构。二者均组装成具有D3对称性的六聚体，首先由单体组成紧密结合的三聚体，然后两个三聚体的胞内域通过进一步相互作用形成六聚体（图3）。

图3. VANGL六聚体结构及拓扑结构图。

A. VANGL的六聚体结构。B. VANGL单体的拓扑结构和结构域排列示意图。C. VANGL三聚体的组装方式。D. VANGL跨膜域（TM）通过TM2-TM4相互作用形成稳定的三聚体结构。E. VANGL底部α螺旋束结构域（HBD）通过相互作用形成了一个稳固的三角形基底。F. VANGL三聚体二聚化界面。

接下来，研究团队进一步解析了VANGL1-PK1复合物的冷冻电镜结构，深入探究它们相互作用的分子机制。通过结构分析，研究团队在VANGL1两个三聚体的交界处发现了额外的电镜密度，推测其可能来源于PK1蛋白（图4 A, B）。但是，由于PK1与VANGL1的结合并不稳定，仅仅依靠电镜密度无法对PK1进行结构模型搭建。因此，作者利用多种手段继续对二者的作用机制进行探索。首先，突变分析确认了VANGL1蛋白利用六聚体界面处的多个碱性氨基酸残基与PK1互作（图4 C, E）。基于此，团队推测PK1可能借助自身带负电的酸性氨基酸残基，通过静电相互作用与VANGL结合。于是，研究团队通过系统的生化和结构分析，并结合AlphaFold3预测，最终定位到PK1蛋白中接近C端的46个氨基酸残基片段PK1^745-790（745-790位氨基酸残基）在与VANGL的相互作用中发挥关键作用（图4 D-F）。

最后，为了阐释VANGL-PK1复合物的生物学功能，研究团队比较了单独的VANGL蛋白以及VANGL-PK1复合物在U2OS细胞内的定位情况。结果显示，VANGL单独存在时主要定位于细胞内的溶酶体和晚期内体，而PK1可以定向将携带VANGL的囊泡募集到质膜前端（图4 G）。因此，研究团队指出，PK1除了作为VANGL的下游成员，负责招募其它PCP通路蛋白以外，还可能在VANGL的细胞内运输以及质膜定位方面发挥重要作用（图4 H）。然而，具体的分子机制还有待进一步研究。

总之，这项工作首次揭示了VANGL蛋白的六聚体组装方式，并阐明了VANGL-PK相互作用的分子机制和潜在功能。这为研究PCP的建立过程以及调控机制提供了新的视角和思路。

图4. VANGL-PK1相互作用机制。

A. VANGL1-PK1与VANGL1电镜密度图及结构对比。B. PK1的电镜密度位于VANGL1六聚体界面上富含正电荷的区域。C. VANGL1与PK1相互作用的10个碱性氨基酸残基。D. PK1与VANGL相互作用区域示意图。E. Pull-down实验验证VANGL-PK1相互作用。F. VANGL-PK1^745-790电镜密度图。G. VANGL1和VANGL1-PK1在U2OS细胞中的定位。H. VANGL-PK1复合物在细胞内的组装模式图。

bat365中文官方网站张哲研究员、郑鹏里研究员为本文共同通讯作者。我校前沿交叉学科研究院2022级博士生宋彦仪、我院2022级博士生简舒怡为本文共同第一作者。bat365中文官方网站滕俊琳教授为本研究提供了重要指导。此外，bat365中文官方网站公共仪器中心凤凰工程蛋白质平台的胡君、bat365中文官方网站朱健教授、以及朱健实验室的副研究员刘敏博士和科研助理冯婧均对本研究做出重要贡献。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室、细胞增殖与分化教育部重点实验室、bat365中文官方网站以及我校成都前沿交叉生物技术研究院创新基金的资助；并依托我校冷冻电镜平台和bat365中文官方网站公共仪器中心凤凰工程蛋白质平台的技术支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55396-3