活细胞光学成像直击癌细胞集体出逃现场

关键词：ZO-1；ERK激活波；足体

集体细胞迁移是胚胎发育、伤口愈合以及癌症转移等生理病理过程的基础，但单个细胞如何感知局部环境并实现群体性的协调运动，其机制长期不明。该研究以犬肾上皮 MDCK II 细胞为模型，发现紧密连接支架蛋白 ZO-1 在迁移过程中动态地从顶端连接复合体转位至基底面的足体 —— 一种介导蛋白水解性侵袭的细胞 - 细胞外基质粘附复合体。ERK 激活触发这一转位，足体处的 ZO-1 促进侵袭性迁移；同时 ZO-1 还反馈调节细胞群体内的 ERK 激活动力学，进而影响集体迁移行为。该工作揭示了 ZO-1 在协调细胞间信号传导与侵袭性运动中扮演的双重角色。

该论文由 Sayuki Hirano、Yohei Kondo、Asayuki Kitajima、Noriyuki Kinoshita、Tetsuhisa Otani、Mikio Furuse、Naoto Ueno 与 Kazuhiro Aoki 完成，以题为 "ZO-1 shuttles between apical junctional complexes and podosomes by riding ERK activation waves" 的研究论文于 2026 年发表在 Nature Communications。

重要发现

研究者以MDCK II 上皮细胞为模型，在 ZO-1/2 双敲除背景下建立稳定表达 EGFP-ZO-1 的细胞系，通过限制释放实验诱导集体迁移。迁移前，ZO-1 主要定位于顶端细胞 - 细胞边界；迁移启动后，ZO-1 从连接复合体解离，转位至基底细胞区域，在单个细胞前端聚集成环形或簇状结构。活细胞延时成像显示，这一转位以波的形式在细胞群体中传播，先出现在领边细胞，随后传至追随细胞。免疫荧光染色确认内源 ZO-1 同样在基底前端聚集，排除了荧光标记带来的伪影。与足体标志物 Tks5 和 F-actin 的共定位分析表明，这些基底结构正是足体；ZO-1 定位于 Tks5/F-actin 核心的外周，即粘附环区域。进一步的突变分析显示，缺失 C 端肌动蛋白结合区或皮层蛋白结合区的 ZO-1 突变体均无法在足体积累，说明 ZO-1 借助上述结构域与肌动蛋白网络结合而完成足体招募。

ZO-1易位从AJCs到足囊的细胞间传播波

为探究ERK 活性的作用，研究者使用 FRET 生物传感器 EKAREV-NLS 实时可视化 ERK 活性，并采用 U-Net 深度学习模型对足体定位的 ZO-1 进行自动分割。结果显示，迁移细胞中 ERK 激活以波形式传播，先为慢波（1.1±0.4 μm/min），随后为快波（2.1±0.8 μm/min）；ZO-1 向足体的转位同样呈波状传播且紧随 ERK 激活之后。ERK 活性处于峰值时，足体定位 ZO-1 的细胞比例升高，ERK 活性回落后约 1 小时仍维持低水平。用 MEK 抑制剂 PD0325901 处理可显著减少迁移过程中的足体 ZO-1 招募，免疫染色也证实 pERK 与基底 ZO-1 积累同步出现、抑制后消失，表明 ERK 激活是 ZO-1 足体定位的必要条件。值得注意的是，该转位现象具有细胞类型依赖性：在 NRK-52E 细胞中表现与 MDCK II 一致，在 EpH4 细胞中 ZO-1 虽发生基底积累却未与 Tks5 共定位，在 MCF10A 细胞中则无明显变化。

肌动蛋白结合区对ZO-1招募至足体的必要性

为区分ERK 的直接与间接调控，研究者将 26 个潜在 ERK 磷酸化位点（丝氨酸或苏氨酸后接脯氨酸）全部替换为丙氨酸，构建非磷酸化突变体 ZO-1Δphos。该突变体在融合单层中仍正常定位于紧密连接，但经 TPA 刺激后仅形成小簇，足体定位的细胞比例显著低于野生型，在集体迁移中也不能转位至基底区域。质谱分析鉴定出 TPA 处理后依赖 ERK 的磷酸化位点分别为 21 个与 12 个，其中 S329 与 S912 在两个独立实验中均被检出，位点分布与突变分析一致地指向 IDR2 和 IDR4 的 N 端区域。荧光漂白后恢复实验显示，ZO-1Δphos 在连接复合体的荧光恢复明显变慢，说明去磷酸化使 ZO-1 更稳定地滞留于连接复合体。据此研究者提出，ERK 依赖的磷酸化通过改变 ZO-1 内在无序区的电荷分布、降低其相分离倾向，促进 ZO-1 从连接复合体释放并向足体再分布。

ERK激活波触发的ZOs-1向足体的募集

功能实验证实足体定位的ZO-1 具有实质作用。牵引力显微术显示，在形成足体的细胞中，表达 ZO-1 者的牵引应力显著高于双敲除细胞，而足体定位受损的突变体无此增强；明胶降解实验表明 ZO-1 促进细胞外基质降解；Transwell 侵袭实验中，双敲除细胞的侵袭数量不足亲本细胞的一半，回补 ZO-1 可恢复至亲本水平的 60%–70%，而突变体无法恢复侵袭力，且各细胞系总细胞数无差异。在 3D 胶原凝胶肾小管形成实验中，HGF 诱导的肾小管形成同时依赖 ERK 活性与 ZO 蛋白。集体迁移方面，双敲除细胞失去迁移传播与前缘位移，回补 ZO-1 可恢复传播，但传播速度（1.1±0.2 μm/min）低于亲本细胞（2.0±0.3 μm/min）；单细胞迁移速度在各细胞系间无显著差异，说明 ZO-1 主要通过细胞间通讯而非内在运动能力起作用。此外，双敲除细胞的 ERK 激活动力学几乎完全丧失，回补 ZO-1 可部分恢复，提示 ZO-1 并非单纯响应 ERK，还反向调节群体内的 ERK 激活波。综合这些结果，研究者提出如下模型：ZO-1 先协助 ERK 激活在相邻细胞间传播，随后从连接复合体转位至足体，在完成足体介导的牵引与侵袭后返回连接复合体，参与下一轮 ERK 激活波的传播。

ZO-1磷酸化对其顶-基底侧重新分布的影响

通过足小体局部化ZO-1增强牵引力产生和侵入性迁移

创新与亮点

该研究突破了以往将紧密连接视为静态屏障的认知局限，首次在活细胞尺度动态追踪ZO-1 在集体迁移中的快速转位。在成像方法上，研究将 FRET 生物传感器与活细胞荧光延时成像结合，在单细胞水平同步记录 ERK 激活波与 ZO-1 转位波，并引入 U-Net 深度学习实现足体结构的自动化分割，辅以荧光漂白后恢复、牵引力显微术与免疫荧光共定位，构成多模态光学成像分析体系。这些光学手段具有明确的转化价值：ERK 激活波此前已在培养细胞与小鼠耳皮肤中被成像验证，ZO-1 的动态转位有望在体内肿瘤微环境中被直接观测；该体系可为癌症侵袭机制研究、MEK/ERK 通路抑制剂疗效评估提供新的定量分析框架。

总结与展望

该研究确立了ZO-1 作为 ERK 信号下游效应器与群体迁移调节器的双重身份，揭示了 ERK 激活波驱动 ZO-1 在顶端连接复合体与足体之间穿梭的新机制，将细胞间信号传导、牵引力生成与基质降解统一于集体迁移的框架中。未来，ZO-1 从连接复合体到足体的具体转位途径仍有待解析；p38、JNK 等其他 MAP 激酶对 ZO-1 定位的调控也值得探索；将该成像与定量分析体系应用于体内肿瘤模型，有望为侵袭性肿瘤的机制研究与靶向治疗提供新依据。

声明：本文仅用作学术目的。

Hirano, S., Kondo, Y., Kitajima, A. et al. ZO-1 shuttles between apical junctional complexes and podosomes by riding ERK activation waves. Nat Commun 17, 6284 (2026).

doi:https://doi.org/10.1038/s41467-026-72840-8