WNT/CTNNB1 signaling regulates tissue development and homeostasis in all multicellular animals. Multiple aspects of the underlying molecular mechanism remain poorly understood and critical information on endogenous WNT/CTNNB1 signaling dynamics is missing. Here we combine CRISPR/Cas9-mediated genome editing and quantitative live-cell microscopy to measure diffusion characteristics of fluorescently tagged, endogenous CTNNB1 in human cells with high spatiotemporal resolution under both physiological and oncogenic conditions. State-of-the-art functional imaging reveals that a substantial fraction of CTNNB1 resides in slow-diffusing complexes in the cytoplasm, irrespective of the activation status of the pathway. The identity of this cytoplasmic CTNNB1 complex changes according to the phosphorylation status of CTNNB1 as it undergoes a major reduction in size when WNT/CTNNB1 is (hyper)activated. We also measure the concentration of complexed and free CTNNB1 in both the cytoplasm and the nucleus before and after WNT stimulation, and use these parameters to build a minimal computational model of WNT/CTNNB1 signaling. Using this integrated experimental and computational approach, our work reveals that WNT pathway activation regulates the dynamic distribution of CTNNB1 across different functional pools by modulating three regulatory nodes: the cytoplasmic destruction complex, nucleocytoplasmic shuttling and nuclear retention.

中文翻译：

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定量活细胞成像和计算模型对内源性WNT / CTNNB1信号动力学产生了新见解

WNT / CTNNB1信号调节所有多细胞动物的组织发育和体内稳态。潜在分子机制的多个方面仍然知之甚少，有关内源性WNT / CTNNB1信号动力学的关键信息也缺失。在这里，我们结合了CRISPR / Cas9介导的基因组编辑和定量活细胞显微镜技术，以在生理和致癌条件下以高时空分辨率测量荧光标记的内源性CTNNB1在人细胞中的扩散特征。最新的功能成像显示，CTNNB1的很大一部分驻留在细胞质中的缓慢扩散复合物中，而与该途径的激活状态无关。当（超）激活WNT / CTNNB1时，胞质CTNNB1复合体的身份会根据CTNNB1的磷酸化状态而发生变化，因为它的尺寸会大大减小。我们还测量了WNT刺激前后细胞质和细胞核中复合和游离CTNNB1的浓度，并使用这些参数建立WNT / CTNNB1信号的最小计算模型。使用这种集成的实验和计算方法，我们的工作揭示了WNT途径激活通过调节三个调控节点：胞质破坏复合物，核质穿梭和核保留，调节了CTNNB1在不同功能池之间的动态分布。我们还测量了WNT刺激前后细胞质和细胞核中复合和游离CTNNB1的浓度，并使用这些参数建立WNT / CTNNB1信号的最小计算模型。使用这种集成的实验和计算方法，我们的工作揭示了WNT途径激活通过调节三个调控节点：胞质破坏复合物，核质穿梭和核保留，调节了CTNNB1在不同功能池之间的动态分布。我们还测量了WNT刺激前后细胞质和细胞核中复合和游离CTNNB1的浓度，并使用这些参数建立WNT / CTNNB1信号的最小计算模型。使用这种集成的实验和计算方法，我们的工作揭示了WNT途径激活通过调节三个调控节点：胞质破坏复合物，核质穿梭和核保留，调节了CTNNB1在不同功能池之间的动态分布。