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前沿進(jìn)展 | 周奕華研究員課題組發(fā)現(xiàn)蛋白GPI修飾調(diào)控植物細(xì)胞壁力學(xué)性能的機(jī)制
研究背景
糖基磷脂酰肌醇(GPI)修飾作為一種重要的蛋白修飾形式，可使非跨膜蛋白分泌并定位到質(zhì)膜胞外側(cè)特定區(qū)域，參與細(xì)胞表面的信號感知、細(xì)胞粘附、物質(zhì)運輸和新陳代謝等生物學(xué)過程。成熟的GPI修飾通常包含保守的多糖核心結(jié)構(gòu)和可變的尾部脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究表明，脂質(zhì)部分對于GPI錨定蛋白定位到質(zhì)膜特定脂質(zhì)微區(qū)及執(zhí)行特定功能至關(guān)重要。GPI尾部脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成經(jīng)多步重塑反應(yīng)、由不飽和脂肪酸鏈轉(zhuǎn)變成飽和脂質(zhì)，最終在酵母中形成磷脂酰肌醇(PI)或磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，而在動物中則為PI或1-烷基-2-酰基磷脂酰肌醇結(jié)構(gòu)。
脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同意味著GPI錨定蛋白的胞內(nèi)分選機(jī)制存在差異。植物中具有數(shù)百個GPI錨定蛋白，在所介導(dǎo)的眾多生物學(xué)過程中，細(xì)胞壁形成和組裝是植物GPI錨定蛋白的重要功能之一。然而，植物中GPI修飾、尤其是脂質(zhì)重塑機(jī)制及其生物學(xué)功能仍相當(dāng)不清楚。
圖：GPI脂質(zhì)重塑使GPI錨定蛋白定位于細(xì)胞膜脂筏微區(qū)并影響細(xì)胞壁形成
中國植物學(xué)會植物細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)委員會委員、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周奕華研究團(tuán)隊長期從事植物細(xì)胞壁形成機(jī)理研究。近期利用水稻脆稈突變體brittle culm 16 (bc16)，鑒定到植物GPI修飾的脂質(zhì)重塑關(guān)鍵酶，解析了GPI脂質(zhì)修飾對蛋白質(zhì)膜定位及細(xì)胞壁形成的重要作用。
基因克隆發(fā)現(xiàn)BC16 編碼GPI脂質(zhì)重塑中的跨膜O-?；D(zhuǎn)移酶，與眾多GPI形成基因共表達(dá)。BC16定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基體，將其導(dǎo)入酵母同源基因突變體gup1能夠恢復(fù)突變菌株生長受阻表型，并在很大程度上彌補(bǔ)酵母GPI錨定蛋白的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷。
針對水稻GPI錨定蛋白的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)譜分析，發(fā)現(xiàn)bc16突變體中飽和磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)含量大幅減少，揭示了植物GPI蛋白的主要脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。BC1是已報道的調(diào)控水稻次生細(xì)胞壁形成的關(guān)鍵GPI錨定蛋白。在bc16中對BC1及多個GPI錨定蛋白開展亞細(xì)胞定位分析，證實BC16介導(dǎo)的脂質(zhì)重塑能夠控制BC1質(zhì)膜定位及靶向質(zhì)膜特定微區(qū)，并發(fā)現(xiàn)纖維素合酶CESA4可定位于該微區(qū)，為BC16調(diào)控細(xì)胞壁組裝提供了關(guān)鍵證據(jù)。
原子力顯微鏡觀測和納米壓痕分析發(fā)現(xiàn)，bc16中次生細(xì)胞壁纖維素納米纖絲組裝與排布與bc1相似，不正常的組裝導(dǎo)致細(xì)胞壁彈性模量改變、植株機(jī)械強(qiáng)度下降，首次從生物力學(xué)層面解釋了脆性表型。因此，該研究應(yīng)用多學(xué)科研究手段揭示了植物GPI修飾脂質(zhì)成熟機(jī)制，闡釋了其調(diào)控植物細(xì)胞壁力學(xué)性能和植株機(jī)械強(qiáng)度的機(jī)理，為作物支撐力力學(xué)性能分子設(shè)計改良提供新的理論依據(jù)。
該項研究成果以題為“Glycosylphosphatidylinositol anchor lipid remodeling directs proteins to the plasma membrane and governs cell wall mechanics”于8月17日在線發(fā)表于The Plant Cell雜志(DOI:10.1093/plcell/koac257)。
周奕華研究組客座博士后許作鵬，博士研究生高易宏和高成旭為該論文的共同第一作者，張保才青年研究員和周奕華研究員為共同通訊作者。該項研究得到了中科院先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委以及青促會等項目的資助。
個人簡介
周奕華研究員
周奕華研究員主要從事植物分子遺傳學(xué)與細(xì)胞壁生物學(xué)研究、結(jié)構(gòu)多糖與品質(zhì)改良等方面的研究。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications、Nature Plants、New Phytologist、The Plant Cell等國際主流期刊上。
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