袁晶課題組在The EMBO Journal發(fā)表研究論文，揭示瘧原蟲微管骨架介導細胞極性變形的分子機制
5月15日，袁晶課題組在TheEMBO Journal雜志上發(fā)表題為A Protein Palmitoylation Cascade Regulates Microtubule Cytoskeleton Integrity inPlasmoidum的研究論文。該研究揭示了瘧原蟲在按蚊寄生傳播中的膜下微管骨架介導合子-動合子細胞極性變形的分子細胞機制。
瘧原蟲是寄生性原生動物類病原，每年導致數(shù)億人口感染瘧疾和數(shù)十萬人死亡。瘧疾的傳播必須通過雌性按蚊。瘧疾病人或者動物被按蚊叮咬吸血后，瘧原蟲伴隨血液作為“食物”進入按蚊消化道中腸。為了避免被消化酶分解，瘧原蟲進化出復雜而高效的感染、寄生和傳播的適應性機制。在中腸腸腔內(nèi)，瘧原蟲雌雄配子受精，形成圓形的合子Zygote（受精卵），合子需要變形轉(zhuǎn)化成新月形的動合子Ookinete，只有動合子才能穿越中腸上皮，定植在中腸基底（體腔）側(cè)，建立按蚊感染。合子-動合子的細胞變形，包括極性突出-極性延伸-成熟，是一個微管重組建立膜下細胞骨架和細胞極性的過程。
前人工作已經(jīng)揭示，動合子較之合子，在細胞突出和延伸部分，緊貼細胞質(zhì)膜(PPM)內(nèi)側(cè)新形成了內(nèi)膜復合物(Inner Membrane Complex, IMC)和膜下微管(Subpellicular microtubule, SPM)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成具有高度規(guī)則的穹頂狀的微管骨架。IMC和SPM共同構(gòu)成膜下細胞骨架，支撐細胞變形。然而，IMC和SPM如何建立穩(wěn)固連接；SPM的60根微管如何在細胞頂端建立高度規(guī)則的穹頂狀排布，這些問題至今沒有答案。
作者之前工作（Current Biology，2018）發(fā)現(xiàn)ISP1單敲除后瘧原蟲動合子轉(zhuǎn)化減少，提示ISP蛋白參與調(diào)控合子-動合子變形。在本工作中，發(fā)現(xiàn)ISP1/ISP3雙基因敲除導致合子-動合子轉(zhuǎn)化顯著下降，并且動合子轉(zhuǎn)化停滯在細胞變形的早期；與此一致，雙基因敲除蟲株血飼按蚊后，瘧原蟲感染和傳播顯著減少。有意思的是，ISP1和ISP3蛋白在合子細胞極性共定位，在細胞變形過程中一直在細胞突出和延伸部分的IMC定位。ISP1/ISP3蛋白均沒有跨膜結(jié)構(gòu)和信號肽，如何實現(xiàn)IMC的特定定位呢？作者發(fā)現(xiàn)ISP1/ISP3蛋白存在棕櫚?；揎棧徊⑶襂SP1/ISP3蛋白氨基端半胱氨酸的棕櫚?；揎?，直接決定了ISP1/ISP3蛋白的IMC定位和蛋白功能。
為了尋找催化ISP1/ISP3的上游棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶PAT，通過篩選發(fā)現(xiàn)棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶DHHC2也極性定位在動合子IMC，在細胞變形過程中和ISP1/ISP3共定位。敲低DHHC2導致ISP1/ISP3棕櫚?；瘉G失，蛋白失去IMC定位；同時，合子-動合子變形完全停滯在早期，與ISP1/ISP3雙基因敲除表型一致。由此，確定了DHHC2-ISP1/ISP3的酶-底物關(guān)系。那么，DHHC2的IMC定位又是如何調(diào)控的？作者發(fā)現(xiàn)DHHC2蛋白羧基端多個半胱氨酸殘基高度保守，并且被DHHC2自身棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶活性催化。DHHC2自身棕櫚?；揎椪{(diào)控蛋白定位到受精后合子細胞中新合成的IMC上。
細胞超微結(jié)構(gòu)顯示，ISP1/ISP3缺失或DHHC2敲低后，SPM微管不再附著于IMC；同時，60根微管構(gòu)成的穹頂狀骨架結(jié)構(gòu)紊亂。機制上，ISP1/ISP3蛋白的N端通過半胱氨酸棕櫚?；^定IMC，C端的PH結(jié)構(gòu)域與SPM微管的β-Tubulin互作，充當連接IMC和SPM的橋梁分子。ISP1/ISP3-Tubulin的物理連接，保證了從動合子頂端生長的60根微管，緊密附著住IMC，形成具有高度規(guī)則的穹頂狀微管骨架，支持合子-動合子的極性延伸。
這個工作發(fā)現(xiàn)了蛋白棕櫚酰化修飾精準調(diào)控瘧原蟲膜下微管骨架和細胞變形，也揭示了膜細胞器和非膜細胞結(jié)構(gòu)之間物理連接的一種獨特機制。
廈門大學博士生王旭和錢鵬戈為本文第一作者；儀器平臺姚路明博士提供了電鏡支持；袁晶教授為本文通訊作者，廈門大學為第一完成單位。該研究得到國家自然科學基金和廈門大學校長基金資助。
論文全文鏈接：https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2019104168
（生命科學學院）
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