中科院上海植物逆境中心楊貞標課題組揭示了調控細胞極性的新機制！
iPlants:
2018年7月3日，Nature Communications雜誌在線發表了來自中科院上海植物逆境生物學研究中心楊貞標課題組題（現在任職單位在福建農林大學園藝植物生物學和代謝組學研究中心）為「The REN4 rheostat dynamically coordinates the apical and lateral domains of Arabidopsis pollen tubes」研究論文。該論文鑒定了WD40結構域蛋白REN4，該蛋白動態定位於生長花粉尖管的端和側面的之間的collar區域，並在頂端和側面結構域之間的精確時空協調中，通過與ROP1相互作用而起到時空變阻器的作用，在花粉管生長期間調節極性和生長速率。因此，該研究揭示了在時空動態中極性區域的前後之間如何協調的新機制。
背景知識：
細胞極性是各種生物的發育，生長和存活所必需的基本細胞特徵，並且需要依賴於信號蛋白的不對稱分布的細胞信號傳導的空間限制。在遷移細胞和尖端生長細胞中，例如植物中的花粉管，真菌菌絲和動物神經軸突，由於它們的快速位移，決定這些細胞的移動方向或生長的頂端區域的極性信號傳導機制是高度動態的。極性細胞在生長或運動期間響應於外部引導信號，其頂端信號傳遞表現出動態再分布以引導新的方向上的生長或運動。
圖1. 植物中具有細胞極性特性的細胞模型
花粉管是植物有性繁殖的必需結構，也是研究動態的極性區域的時空控制的最好模型。體外培養的花粉管通過自組織機制單一方向伸長以形成管狀細胞，產生和維持質膜（PM）的頂端生長區域。頂端定位的Rho家族小GTP酶ROP1是這種自組織機制的關鍵調節因子。活性ROP1的PM分布定義了花粉管的頂端生長區域並調節極性胞吐作用。之前研究表明，通過前饋和反饋作用，胞吐作用是自我組織生成和維持頂端ROP1 GTP酶的核心。依賴於胞吐作用的前饋是建立頂端ROP1極性所必需的。而 REN1 RhoGAP的胞吐作用介導的頂端靶向參與負反饋ROP1信號傳導至頂端結構域。因此 REN1作為頂端ROP1激活的全局抑製劑。
圖2. 花粉管頂端ROP1活性的調控
在尖端快速生長期間，頂端極性信號需要與橫向域分離但又有動態協調作用。在花粉管的頂端和側面區域中間有一個動態的collar區域。該區域存在PIP2，皮質肌動蛋白環（collar）和網格蛋白介導的內吞作用的組分（CME）的分布。然而，在花粉管collar區域如何產生和動態維持，同時它又起什麼作用，以及collar區域如何與頂端域和側面域協調仍然是知之甚少！
方法與結果：
第一，確認REN4蛋白調節花粉管的極性和生長
該文通過篩選方法得到ren4-1突變體的花粉管與野生型管相比稍寬，但顯得更曲折不定。同時，利用REN4-GFP發現REN4定位在PM上，並且更集中在新出現的PM區域，特別是出現在管的側翼區域，同時REN4會從含有活性ROP1的生長區域中排除。這些暗示了REN4在調節花粉管尖端生長和極性中起作用，同時暗示著頂端PM的REN4分布與花粉管生長抑制密切相關。
第二，確認REN4拮抗頂端的ROP1信號傳導
該研究通過上述研究暗示REN4和ROP1信號傳導之間可能存在聯繫。通過研究表明，ren4-1突變體極大地增強了GFP-ROP1花粉管的生長去極化，表明了REN4在擬南芥花粉管尖端生長的調節中功能性地拮抗ROP1信號傳導。進一步基於ren4-1增強GFP-ROP1花粉管的生長去極化和從含有活性ROP1的生長區域中排除REN4的證據，研究者假設REN4限制活性ROP1從頂端PM區域橫向擴增。
第三：確認REN4與活性ROP1在時空上相關
該研究試圖了解REN4拮抗ROP1信號傳導的機制。研究發現ROP1和REN4能相互結合，但是優先與GTP結合的活性ROP1相互作用。進一步研究表明，當頂端活性ROP1橫向增加和擴散時，REN4-RFP首先在 collar區域遇到活躍的ROP1。隨著頂端的活性ROP1持續增加，REN4-RFP擴散到頂端。然後在活性ROP1和REN4的重疊分布之後將REN4和活性ROP1快速從PM去除。因此該結果表明了REN4與ROP1相互結合後促進活性ROP1從PM去除來拮抗ROP1信號傳導。
第四，REN4與EAP1相互作用以進行CME
通過酵母雙雜交篩選得到REN4的互作蛋白EAP1，該蛋白是ANTH家族成員，定位在花粉管的collar區域，其功能參與CME內吞作用。研究結果顯示EAP1與REN4-GFP共定位，結果表明EAP1通過在擬南芥花粉管中通過CME直接靶向和去除PM定位的REN4而在功能上拮抗REN4。同時，作為網格蛋白相關機制的必需亞基的CLC1在極端頂點後面的collar區域高度富集，其中它與REN4-RFP表現出強烈的重疊分布。進一步說明了CME的抑制導致頂端活性ROP1向側面區域和側向REN4向頂端區域的擴散。
綜上所述，該研究中鑒定了WD40結構域蛋白REN4，該蛋白動態定位於生長花粉尖管的端和側面的之間的collar區域，並在頂端和側面結構域之間的精確時空協調中發揮關鍵作用。將頂端ROP1信號系統與頸圈/頂端CME通路整合在一起。因此，REN4充當變阻器，用於在花粉管生長期間調節極性和生長速率。因此，該研究結果揭示了在時空動態中前後極性之間協調的新機制。
原創不易，如覺文章不錯，點贊、分享和推薦公眾號就是對我們最好的支持！謝謝！！
TAG:iPlants |