Cell Death Differ丨USP21介導的NuMA去泛素化確保有絲分裂紡錘體的正確定向

有絲分裂紡錘體的旋轉定向在決定細胞分裂方向中發揮關鍵作用，并通過空間調控細胞命運決定因子的分配，指導干細胞命運、維持組織結構，并支持組織穩態與修復【1】。在上皮組織中，準確的紡錘體定向對于維持單層上皮完整性【2】、驅動復層上皮形成【3】、調控管腔直徑【4】以及促進組織高效修復【5】均具有重要意義。調控紡錘體定向的分子機器主要錨定于細胞皮層，通過協調牽引力來促進紡錘體旋轉【6】。這些分子機器能夠將紡錘體排列至特定方向，從而保證細胞命運決定因子的準確分配【7】。近年來，泛素化修飾逐漸被認為是調控紡錘體定向相關蛋白定位、穩定性及相互作用網絡的重要機制【8】。盡管已有多種E3泛素連接酶被認為參與這一過程，例如后期促進復合體/環體【 9】和基于Cullin-3的E3泛素連接酶【10】，但去泛素化酶在調控皮層定位的紡錘體定向分子機器中的作用仍知之甚少。去泛素化修飾如何與有絲分裂時序以及皮層分子機器的結構動態相協調，仍有待進一步闡明。

近日，南開大學/山東師范大學周軍團隊在 Cell Death & Differentiation 雜志上發表了題為 USP21-mediated deubiquitylation stimulates NuMA recruitment to the cell cortex to promote mitotic spindle orientation 的文章。該研究發現，去泛素化酶USP21能夠通過去除紡錘體定向分子機器核心組分NuMA的K63類型泛素化修飾，促進NuMA募集至細胞皮層，進而維持紡錘體定向分子機器的正確組裝。該發現揭示USP21通過調控紡錘體定向，在維持上皮組織結構、組織重塑和發育穩態中發揮重要作用。

為了尋找新的紡錘體定向調控因子，研究人員首先利用公開數據集，比較了對紡錘體定向需求較高與較低的細胞類型中的基因表達差異。分析結果顯示，USP21在相關細胞群體中具有特殊的表達和定位特征。由于 USP21 兼具中心體結合結構域和微管結合結構域，研究人員推測其可能參與有絲分裂過程中與細胞骨架相關的調控事件。

為了進一步驗證USP21在體內的功能，研究人員對Usp21敲除小鼠進行了組織學分析。結果發現，Usp21缺失會導致多種上皮組織出現異常表型，例如角膜上皮分層延遲、腎小管延長階段出現管腔異常擴張，以及皮膚損傷后傷口愈合明顯延遲。這些結果提示，USP21對于上皮組織結構建立、形態維持以及損傷修復具有重要作用。進一步研究表明，這些組織異常與紡錘體定向缺陷密切相關。在角膜上皮、腎小管上皮以及皮膚傷口修復過程中，Usp21缺失均導致細胞分裂方向發生異常。

那么，USP21是如何調控紡錘體定向的呢？為了解析其分子機制，研究人員通過免疫沉淀結合質譜篩選 USP21 的互作蛋白，發現NuMA是其中最關鍵的候選分子之一。隨后，研究人員通過免疫熒光、免疫共沉淀以及體外下拉實驗，證明USP21能夠與NuMA發生直接相互作用。機制上，研究發現USP21能夠去除NuMA上的K63類型泛素化修飾。與通常介導蛋白降解的K48類型泛素化不同，K63類型泛素化更多參與蛋白相互作用、信號轉導和亞細胞定位。該研究表明，USP21對NuMA的K63類型去泛素化是通過改變NuMA的定位和相互作用狀態，控制在皮層定位的紡錘體定向調控復合體的形成。進一步實驗顯示，USP21缺失不影響NuMA在中心體的定位，但卻顯著削弱NuMA在細胞皮層的富集。隨著NuMA皮層定位受損，動力蛋白復合體在細胞皮層的募集也相應減少，最終導致紡錘體無法正確響應細胞黏附和組織結構的空間變化。研究人員還發現，在USP21缺失條件下，NuMA與LGN的相互作用減弱，而與動力蛋白的相互作用異常增強。結合AlphaFold3結構預測，研究提出，NuMA持續的K63類型泛素化可能誘導其構象改變，使其無法被LGN有效募集至細胞皮層。

這項研究拓展了對紡錘體定向調控機制的認識，表明非降解型泛素化修飾在有絲分裂空間調控中發揮作用，提示這種修飾可能是協調細胞皮層定位、微管牽拉力和組織形態建成的重要機制。此外，由于紡錘體定向異常與上皮發育缺陷、組織結構紊亂和修復障礙密切相關，該研究為理解相關疾病的發生機制提供了新的思路。

南開大學博士生胡明崢以及山東師范大學博士生馬慧嫻和王如娜為論文的共同第一作者。南開大學/山東師范大學周軍教授為通訊作者。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41418-026-01786-7

制版人：十一

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