New Phytologist | 秦跟基研究組發(fā)現(xiàn)內(nèi)膜運輸相關蛋白USL1調(diào)控葉片發(fā)育等過程
2018年6月13日，生命科學學院蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重大實驗室的秦跟基教授課題組在國際知名學術期刊New Phytologist上發(fā)表了題為“The Arabidopsis USL1 controls multiple aspects of plant development by affecting late endosome morphology”的研究論文。該論文揭示了一個內(nèi)膜運輸相關蛋白USL1通過影響生長素輸出蛋白PIN1的極性定位不僅調(diào)控葉片發(fā)育也調(diào)控植物其他發(fā)育過程。
葉片不僅是植物的重要器官，其形態(tài)和大小也直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。植物研究領域一個非常重要的科學問題就是葉片的形態(tài)和大小是如何調(diào)控的。作為植物中的重要激素生長素在調(diào)控葉片發(fā)育過程中起到重要作用，而在細胞質(zhì)膜上的生長素輸出蛋白PIN1的極性定位在控制生長素的分布中起關鍵作用。已有研究發(fā)現(xiàn)反向運輸復合體成員VPS29對于維持PIN1蛋白的極性定位進而控制生長素分布非常重要。但VPS29在植物中是如何調(diào)控的還很不清楚。
通過正向遺傳學的方法，秦跟基課題組篩選到一個葉片小且卷曲的擬南芥突變體usl1（unflatten small leaves）（圖1A和1B），深入分析發(fā)現(xiàn)該突變體的表型是由于T-DNA插入到USL1基因中使其失活造成。與多個內(nèi)膜相關的標記蛋白共定位分析表明USL1定位在內(nèi)膜運輸中的晚期內(nèi)吞體（late endosome）上，呈點狀分布，這與調(diào)控PIN1蛋白極性定位的反向運輸復合體成員VPS29相似，進一步分析表明USL1與VPS29共定位。非常有意思的是，在usl1突變體中，VPS29的定位以及晚期內(nèi)吞體的形態(tài)由點狀改變成環(huán)狀，這說明USL1對于維持晚期內(nèi)吞體的形態(tài)以及調(diào)控VPS29的功能發(fā)揮重要的作用。與USL1調(diào)控VPS29的功能相一致，usl1突變體的表型與vps29突變體的表型非常相似，不僅葉片變小不平整，而且植物的胚胎、側根等發(fā)育都有缺陷。確實，正如vps29突變體中PIN1蛋白的極性定位不正常一樣，usl1突變體中PIN1的蛋白定位明顯有問題。該論文還進一步通過免疫共沉淀聯(lián)合質(zhì)譜鑒定（Co-IP/MS）以及其他細胞生物學的方法證明了USL1與VPS34、VPS15、VPS30共同形成PI3K蛋白復合體來調(diào)控VPS29和PIN1蛋白的極性定位。
該研究不僅發(fā)現(xiàn)了USL1與PI3K形成復合體調(diào)控反向運輸復合體成員VPS29，而且也提供了一種可能的調(diào)控葉片形態(tài)和大小以及植物可塑性發(fā)育的分子機制（圖1C和圖1D）。即USL1的改變，直接影響了PI3K的功能，進而影響晚期內(nèi)吞體的形態(tài)和生理作用，在晚期內(nèi)吞體上起作用的反向運輸復合體的功能自然受到影響，從而影響PIN1由內(nèi)膜循環(huán)到細胞質(zhì)膜上的效率，進而影響PIN1在細胞質(zhì)膜上分布的位置和多少（圖1C和圖1D）。根據(jù)該作用機制，當USL1的表達和功能受發(fā)育信號和環(huán)境信號的微調(diào)時，可能影響到PIN1和生長素的分布，最終控制葉片形態(tài)和大小以及植物可塑性發(fā)育。該研究發(fā)現(xiàn)USL1表達具有特異性，說明USL1受發(fā)育信號的影響，未來對USL1是否受其他環(huán)境因素調(diào)控的研究將非常有意義。
秦跟基課題組博士生原榮榮為該論文的第一作者，秦跟基教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金創(chuàng)新群體、國家杰出青年基金以及北京大學蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室的資助。
北京大學秦跟基課題組致力于通過研究葉片發(fā)育，尋找控制植物器官發(fā)育的重要共有保守調(diào)控機制。近年來通過分子遺傳學和生化分析發(fā)現(xiàn)了多個基因在調(diào)控葉片發(fā)育中起重要作用，其中包括該課題組發(fā)現(xiàn)的轉錄因子、轉錄抑制因子和E3泛素連接酶形成TCP/TIE/TEAR調(diào)控模塊來精細調(diào)控葉片、分枝和胚珠發(fā)育的新機制（Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018）。
圖1. 突變體usl1的表型和USL1的作用機制。
圖1. 突變體usl1的表型和USL1的作用機制。A和B，usl1-1和usl1-2葉片發(fā)育具有相似的表型，都產(chǎn)生小而卷曲的葉片。C，在野生型擬南芥細胞中，USL1與PI3K形成復合體，調(diào)控晚期內(nèi)吞體和反向運輸復合體成員VPS29的功能，進而調(diào)控PIN1的極性定位和生長素的分布，從而調(diào)控葉片和其他器官的發(fā)育。D，在usl1突變體中，USL1的功能缺失導致晚期內(nèi)吞體的形態(tài)由點狀變成環(huán)狀，影響了反向運輸復合體的功能，進而影響PIN1的定位和生長素的分布，導致包括葉片在內(nèi)的多個器官發(fā)育出現(xiàn)缺陷。
原文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.15249
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