平面细胞极性（PCP）在后生动物发育和形态发生过程中是保守的，PCP信号缺陷会导致神经管缺陷等人类疾病。在脊椎动物里，由VANGL（含VANGL1和 VANGL2）与PK（如PK1-PK4）构成的复合物是关键调节因子，然而此前VANGL 和PK的整体结构及相互作用细节并不明晰。为了解决这一问题，近日北京大学前沿交叉学科研究院膜生物学国家重点实验室的研究团队在《Nat Commun.》（IF=14.7）上发表题为“Structural basis of human VANGL-PRICKLE interaction”的突破性研究文章，揭示了PK1对VANGL细胞定位的影响及VANGL致病突变的结构基础，为理解平面细胞极性通路提供了重要依据。APExBIO团队为本文的实验研究提供了高品质的蛋白酶抑制剂Cocktail：Protease Inhibitor Cocktail (EDTA-Free,100X in DMSO) (Cat. No：K1007)

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研究背景

平面细胞极性（PCP）是后生动物发育和形态发生中的保守过程，主要是由两个核心蛋白复合物在细胞相对两侧的不对称分布所建立的。在脊椎动物中，一个复合物附着在细胞膜的近端侧，由VANGL和PK组成。另一个复合物定位在细胞膜的远端侧，包含FZD、DVL和Dgo。DVL还可以与VANGL以与PK竞争的方式相互作用，这一过程在PCP建立过程中受VANGL内特定酪氨酸残基的翻译后磷酸化调控。到目前为止，PCP通路中的上游和下游信号尚未完全清楚。本研究解析了人VANGL1和VANGL2的冷冻电镜结构以及它们与PK1的复合物结构，并通过生化和细胞成像实验分析了它们的相互作用。总之，我们的工作揭示了VANGL-PK相互作用的分子细节，并为它们的功能联系提供了见解。

研究工作

1.VANGL蛋白的结构和生物化学特性

为了解析人VANGL1和VANGL2蛋白的整体结构，通过昆虫细胞表达人VANGL1和VANGL2蛋白，并运用冷冻电镜技术解析它们的结构，同时通过其它实验方法分析两个蛋白的相互作用。结果显示，VANGL蛋白是由两个三聚体组成的六聚体结构。VANGL可分为五个结构域，包括NTD、TMD、HBD、JMD和CTD结构域。HBD与JMD相互作用有助于稳定三聚体，CTD结构域在连接三个亚基中发挥重要作用。NTD在电镜结构中不可见，推测其具有柔性且不参与核心结构的构建。

Fig.1 VANGL1和VANGL2六聚体的冷冻电镜结构

2.VANGL1-PK1复合物的结构

为了解析VANGL1和PK1蛋白之间的相互作用结构，将PK1与VANGL1共表达，并运用冷冻电镜技术解析出VANGL1-PK1复合物的结构，分辨率为2.6 Å。结果显示，PK1的结合位点靠近VANGL1两个三聚体之间的界面，结合方式是不对称的。虽然PK1的结合基本不改变六聚体的结构，但会使两个三聚体沿长轴压缩约3 Å。综上所述，PK1结合于VANGL1两个三聚体的界面处，使两个三聚体之间的距离减小，结合更紧密。

Fig.2 VANGL1-PK1复合物的冷冻电镜结构

3.VANG和PK1相互作用的关键区域

为了确定VANGL和PK1相互作用的关键氨基酸残基和结构域，采用定点突变技术，对VANGL1和PK1中的潜在关键氨基酸进行突变，运用pull-down和电泳的方法评估突变对两者相互作用的影响。结果显示，VANGL1中HBD结构域的多个带正电氨基酸（如Arg334、Arg352等）以及PK1的C端745 - 790区域（包含两个负电荷集中区）是它们相互作用的关键区域。综上所述，特定氨基酸的突变会显著影响VANGL和PK1的结合，且PK1与VANGL2的结合亲和力低于与VANGL1的结合。另外，不同物种中这些关键残基具有一定的保守性。

Fig.3 VANGL和PK1相互作用的特定区域

4.PK1对VANGL定位的影响

为了探究PK1对VANGL蛋白在细胞内定位的影响，以了解两者相互作用在细胞层面的功能后果，分别将VANGL蛋白和与PK1共表达的VANGL蛋白转染细胞，对VANGL进行荧光标记，用共聚焦显微镜观察VANGL蛋白在细胞内的定位。结果显示VANGL1和VANGL2主要位于核周囊泡，溶酶体和晚期胞内体，少量存在于细胞膜。当VANGL与PK1共表达时，VANGL在细胞膜尤其是细胞前沿处积累。综上所述，PK1能够使含VANGL的囊泡对接至质膜。

Fig.4 VANGL1和VANGL2的亚细胞定位

5.VANGL和胞内体/溶酶体标记物的共定位

为了进一步探究VANGL蛋白的运输和定位机制，对VANGL蛋白、PK1蛋白以及胞内体/溶酶体相关蛋白（如Rab36、Rab15等）进行荧光标记，用共聚焦显微镜观察它们在细胞内的共定位情况。结果显示，Rab36和Rab15与含有VANGL-PK1的囊泡具有一定的定位关系。以上结果说明，含VANGL-PK1复合体的囊泡由Rab36和Rab15协助对接至质膜。

Fig.5 含VANGL-PK1的囊泡的表征

6.VANGL突变的结构解释

为了理解突变如何影响VANGL蛋白结构和功能，将人类VANGL蛋白中的已知致病突变位点标注到其结构上。由此可以看出VANGL蛋白的致病突变广泛分布在各个结构域。位于三聚体界面的突变可能通过干扰三聚体组装而损害 VANGL功能。JMD或TMD上亚基的突变可能会破坏JMD与TMD的相互作用。TMD外的疏水残基被极性残基取代可能降低 VANGL在疏水膜环境中的稳定性或减少其膜定位。总之，结构研究的结果为理解涉及VANGL突变的致病机制提供了新的基础。

Fig.6 VANGL蛋白中功能缺失或疾病相关突变的位置

研究结论

该研究通过解析人源VANGL1、VANGL2及其与PRICKLE1复合物的冷冻电镜结构（分辨率2.2–3.0 Å），揭示了VANGL-PRICKLE相互作用的分子细节。研究发现，VANGL以六聚体形式存在，且PRICKLE1能够靶向VANGL所在的细胞内囊泡，将其引导至细胞周边膜。这一发现不仅为理解VANGL和PRICKLE在细胞平面极性（PCP）通路中的明确相互作用提供了结构基础，还为后续PCP通路的研究开辟了新途径。

文章精彩看点

• 结构解析方面：运用冷冻电镜技术获得高分辨率结构，清晰展示了VANGL 蛋白的六聚体架构及与PK1结合时的构象变化，为深入理解其分子机制提供了直接的结构证据。
• 相互作用研究：通过多种实验手段详细确定了VANGL与PK1相互作用的关键区域和氨基酸残基，以及二者结合的方式和亲和力差异，为进一步研究该相互作用的调控机制奠定了基础。
• 细胞功能关联：将蛋白结构和相互作用与细胞内定位及运输联系起来，揭示了PK1在VANGL细胞定位中的关键作用，以及相关囊泡的特征和调控机制，拓展了对蛋白在细胞层面功能的理解。
• 致病机制探索：对VANGL致病突变的结构分析，为研究相关疾病的发病机理提供了新的视角，有助于推动相关疾病的诊断和治疗研究。

不足之处（文中）

• 虽然确定了VANGL-PK1的相互作用方式和关键区域，但对于这种相互作用在体内复杂生理环境下的动态变化过程尚未进行深入研究。
• 对于VANGL蛋白除了与PK1相互作用外，是否存在其他重要的蛋白伙伴或调控因子，以及它们之间的相互关系和协同作用机制，文中未作充分探讨。
• 在研究VANGL致病突变时，仅从结构层面进行了分析和推测，缺乏对这些突变在实验方面的验证。

后续可展开角度

• 体内动态研究：利用活体成像技术和动物模型，跟踪 VANGL - PK1 相互作用在体内的动态变化过程，以及其对细胞极性建立和维持的实时影响，进一步明确其在生理和病理过程中的作用机制。
• 相互作用网络拓展：通过蛋白质组学等方法，寻找与 VANGL 相关的其他蛋白因子，构建更全面的蛋白相互作用网络，深入研究它们之间的协同调控机制，以全面理解 VANGL 在细胞信号通路中的地位。
• 致病突变功能验证：开展动物模型实验和临床样本分析，对 VANGL 致病突变进行功能验证，研究其对蛋白功能、细胞行为和疾病发生发展的具体影响，为疾病的基因诊断和治疗提供依据。
• 药物研发探索：基于对 VANGL - PK1 相互作用关键区域的认识，开展针对相关疾病的药物研发工作，筛选或设计能够调节这种相互作用的小分子化合物或生物制剂，探索潜在的治疗策略。

参考文献

[1] Song Y, Jian S, Teng J, Zheng P, Zhang Z. Structural basis of human VANGL-PRICKLE interaction. Nat Commun. 2025 Jan 3;16(1):132. doi: 10.1038/s41467-024-55396-3. PMID: 39753555; PMCID: PMC11698917.