细胞运动是实现一系列生命活动的基础,例如细胞分化、干细胞归巢和免疫应答。异常细胞运动则会造成疾病的发生和发展,例如哮喘和癌症转移。细胞运动依赖细胞极性的正确建立。运动过程中,细胞会建立由前端和后端结构组成的极性模式。前端和后端结构在形态和功能是存在显著差异,这一差异决定于其上游信号分子和骨架元件的极性分布。此外,不局限于细胞运动,这些极性分子在其他细胞活动或者响应外界信号刺激时也会表现出不对称分布和极性响应行为。有趣地,一些编码前端和后端蛋白的基因分别对应着机体中的原癌基因和抑癌基因。目前,对运动细胞极性建立机制的研究结果表明PIP3是一个重要的前端信号。PIP3通过招募并激活一系列下游信号蛋白来促进细胞微丝骨架调控元件的活化,帮助细胞建立富含微丝的前端伪足,为细胞运动提供动力。然而,运动细胞极性建立网络中后端事件的调控机制目前仍有待揭示。本论文的第一部分内容是围绕着后端蛋白定位机制研究展开。通过在Dictyostelium细胞中系统地筛选包含PH结构域的蛋白,我们鉴定出一个全新定位于细胞后端的蛋白并将其命名为Teep1（Trailing edge enriched protein 1）。在随机运动和定向迁移过程中,Teep1定位在细胞的后端。与其他后端蛋白一致地,当细胞受到趋化信号刺激时,Teep1从细胞质膜上解离至细胞质中再回到细胞质膜上,并且这一过程不依赖于细胞微丝骨架。截短体和点突变实验结果表明Teep1的极性分布依赖于它的N端PH结构域中保守的带正电荷氨基酸。此外,蛋白质—磷脂互作实验结果显示Teep1倾向结合PI（3,5）P2和PI（4,5）P2。当在细胞中同时降低这两种磷脂酰肌醇时,Teep1会彻底从细胞质膜解离到细胞质中,此时伴随着细胞持续产生膜凸起结构。进一步实验表明细胞质膜上的PI（3,5）P2存在一个从前到后的梯度。这一极性的建立至少部分是通过PIP3招募可以水解PI3P/PI（3,5）P2的磷酸酶dMTM6来实现的。与该结论一致地,缺失dMTM6后会增强Teep1的细胞质膜定位效率。上述结果提示了细胞中存在一个基于PIP3建立的PI（3,5）P2梯度参与并促进后端蛋白的分布,进而维持细胞极性稳态。细胞极性的建立依赖于后端信号分子与细胞皮质微丝之间的协同作用,但后端蛋白调控皮质微丝组装的机制尚未被充分解析。在包含PH结构域蛋白筛选工作中并未鉴定出可以直接参与调控微丝网络的元件,因此,我们决定对微丝调控因子进行分析和研究,以期找到新的后端微丝调控蛋白。在本论文的第二部分,我们利用生物信息学手段发现Fbp17,一个Toca（Transducer of Cdc42-dependent actinassembly）家族蛋白促进细胞后端皮质分枝状微丝聚合。生化实验证明Fbp17可以结合并激活WASP和SCAR复合物,进而解除Arp2/3复合物的自抑制效应,促进分枝状微丝的组装。缺失Fbp17导致细胞皮质微丝含量显著下降,并且微针吸取实验表明突变体细胞的皮质完整性严重受损。细胞皮质微丝网络的破坏进而抑制了两个高度依赖细胞皮质微丝骨架的过程——细胞分裂和迁移。此外,我们发现Fbp17的皮质定位受一个未被研究的蛋白GxcM调节。GxcM包含一个RhoGEF结构域,定位在细胞后端。外源表达GxcM可以有效地将Fbp17招募到细胞后端皮质区域,并且诱使细胞后端皮质微丝的过度组装。GxcM的该效应不仅依赖Fbp17,同时也依赖于它自身的GEF活性。这些实验结果表明GxcM,Fbp17,WASP/WAVE复合物以及Arp2/3复合物组成了一个级联信号通路参与促进细胞后端皮质分枝状微丝的组装。综上,本课题聚焦于运动细胞极性建立中的后端事件,我们鉴定出全新的后端信号蛋白,也找到了介导细胞皮质分枝状微丝聚合的信号通路。这些结果不仅扩展了我们对细胞极性建立中后端架构的理解,也为细胞后端信号分子与微丝系统之间沟通提供了一个全新的范例。