李超团队副研究员李晖在细胞极性生长调控领域取得重要进展


   近日,我校生科院植物学科李超团队李晖副研究员在国际权威期刊《Nature Communication》 在线发表了题为“The REN4 rheostat dynamically coordinates the apical and lateral domains of Arabidopsis pollen tubes ”的文章。该研究主要在国际著名生殖发育专家美国加州大学河滨分校杨贞标教授的指导下,在多家单位的共同努力下完成。该工作揭示了网格蛋白介导的内吞调控拟南芥花粉管顶端膜与侧面膜分子的极性分布及细胞顶端极性生长的分子作用机理。

  快速顶端生长是一种重要的细胞极性生长模式,表现为细胞的生长和伸长主要集中于顶端并形成长条形的管状结构,这一生长模式有助于细胞快速感知并传递胞外信号,与胞外进行物质交流,让细胞穿透狭窄的细胞间隙并进行长距离定向生长。例如动物神经细胞、微生物真菌、植物根毛及花粉管等都利用顶端快速生长模式行使功能。单倍体植物花粉管细胞具有结构简单、生长快速、可体外培养等优点,使得其成为研究细胞顶端生长的重要模式材料。近年来,国内外对调控花粉管极性生长的分子机理进行了大量研究,研究表明植物特有的分子开关Rho GTPase 家族成员ROP1介导的信号通路在细胞极性生长调控的过程中发挥了极其重要的作用。其中,建立和维持活性ROP1在快速顶端生长的花粉管质膜区的动态分布非常关键,但如何维持ROP1在花粉管顶端质膜极性分布的分子机理仍不清楚。
  该文章一作李晖首次创建化学遗传学的筛选方法并分离鉴定到ROP1增强子突变体ren4,发现在低浓度微丝去聚合化合物LatB的作用下,突变体中花粉管顶端质膜分布的活性ROP1的扩展至侧面区域,导致ren4花粉管膨大,表明了细胞骨架与REN4协同互作调节ROP1信号通路(图1)。
图1. REN4抑制ROP1信号通路调节拟南芥花粉管顶端的极性生长
 
  REN4编码了一个WD40结构的Scaffold蛋白,该类蛋白介导了蛋白蛋白之间的互作。李晖等人通过酵母双杂交的筛选发现REN4与侧面膜定位的内吞Adaptor ENTH家族成员EAP1互作,进一步发现网格蛋白介导的内吞途径在花粉管中与REN4共定位于侧面膜区域(图2),且EAP1过表达减弱了REN4在侧面膜上的分布,导致REN4抑制花粉管萌发及生长的表型得以恢复。
图2.CME 动态调节REN4在花粉管顶端质膜区的极性分布
 
  REN4通过与内吞adpator EAP1和ROP1互作激活了REN4与ROP1在顶端膜与侧面膜临界区的内吞,维持了REN4和ROP1在花粉管质膜中的极性分布。这些实验研究结果也通过数学模拟模型加以证实,模型动态模拟结果表明REN4作为时空变阻器限制了顶端质膜ROP1的时空分布并且稳定了花粉管的顶端生长及其摆动 (图3)。
图3. REN4作为侧面膜抑制子稳定了活性ROP1在花粉管顶端质膜的极性分布
 
  该研究成果结合了遗传学、细胞生物学和数学模拟模型等研究方法,以拟南芥花粉管为模式系统,首次发现了快速顶端生长细胞的侧面膜极性因子REN4和顶端膜极性因子活性ROP1互作激活网格蛋白介导的内吞发生,建立并维持这些作用因子的极性分布,阐明了植物小G蛋白ROP1、细胞骨架与胞吞作用endocytosis共同形成调节花粉管极性生长的细胞与分子反馈调控网络。这些发现将为研究其它物种快速顶端生长细胞的作用机理提供重要的参考和借鉴意义。
  本文第一作者李晖现任华东师范大学生命科学学院李超课题组副研究员,本工作主要在本文通讯作者美国加州大学河滨分校杨贞标教授指导下完成。该文章第一研究单位为中国科学院植物逆境生物学研究中心,由美国加州大学河滨分校、中国科学院植物生理生态研究所及华东师范大学共同完成。该研究得到了国家自然科学基金项目的经费支持。
 
  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-04838-w.pdf