New Phytologist | 秦跟基研究組發(fā)現(xiàn)內(nèi)膜運(yùn)輸相關(guān)蛋白USL1調(diào)控葉片發(fā)育等過程
2018年6月13日，生命科學(xué)學(xué)院蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重大實(shí)驗(yàn)室的秦跟基教授課題組在國際知名學(xué)術(shù)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(gè)內(nèi)膜運(yùn)輸相關(guān)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(lǐng)域一個(gè)非常重要的科學(xué)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(xì)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(guān)鍵作用。已有研究發(fā)現(xiàn)反向運(yùn)輸復(fù)合體成員VPS29對于維持PIN1蛋白的極性定位進(jìn)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(xué)的方法，秦跟基課題組篩選到一個(gè)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(gè)內(nèi)膜相關(guān)的標(biāo)記蛋白共定位分析表明USL1定位在內(nèi)膜運(yùn)輸中的晚期內(nèi)吞體（late endosome）上，呈點(diǎn)狀分布，這與調(diào)控PIN1蛋白極性定位的反向運(yùn)輸復(fù)合體成員VPS29相似，進(jìn)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(diǎn)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(cè)根等發(fā)育都有缺陷。確實(shí)，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(jìn)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(xì)胞生物學(xué)的方法證明了USL1與VPS34、VPS15、VPS30共同形成PI3K蛋白復(fù)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(fù)合體調(diào)控反向運(yùn)輸復(fù)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(jī)制（圖1C和圖1D）。即USL1的改變，直接影響了PI3K的功能，進(jìn)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(yùn)輸復(fù)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(xì)胞質(zhì)膜上的效率，進(jìn)而影響PIN1在細(xì)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(jī)制，當(dāng)USL1的表達(dá)和功能受發(fā)育信號和環(huán)境信號的微調(diào)時(shí)，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(dá)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(xué)基金創(chuàng)新群體、國家杰出青年基金以及北京大學(xué)蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
北京大學(xué)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(jī)制。近年來通過分子遺傳學(xué)和生化分析發(fā)現(xiàn)了多個(gè)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(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)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(xì)調(diào)控葉片、分枝和胚珠發(fā)育的新機(jī)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(jī)制。
圖1. 突變體usl1的表型和USL1的作用機(jī)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(xì)胞中，USL1與PI3K形成復(fù)合體，調(diào)控晚期內(nèi)吞體和反向運(yùn)輸復(fù)合體成員VPS29的功能，進(jìn)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(dǎo)致晚期內(nèi)吞體的形態(tài)由點(diǎn)狀變成環(huán)狀，影響了反向運(yùn)輸復(fù)合體的功能，進(jìn)而影響PIN1的定位和生長素的分布，導(dǎo)致包括葉片在內(nèi)的多個(gè)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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