The Plant Cell：南科大李瑞熙課題組揭示生長素轉運蛋白頂端極性定位的內膜分選機制

2016年12月23日,國際植物科學頂級期刊《TheplantCell》線上發表了南方科技大學生物系李瑞熙教授課題組與美國加州大學河邊分校Natasha Raikhel 院士研究組合作題為Different Endomembrane Trafficking Pathways Establish Apical and Basal Polarities的研究論文。 研究發現一種小分子化合物- Endosidin 16 (ES16) 通過調控一類小G蛋白-RabA2A GTPase特異性誘導頂端極性定位的生長素轉運載體PIN蛋白形成胞內聚合物並改變其頂端極性分佈但不影響 PIN蛋白的基底膜定位。 研究結果第一次揭示了生長素轉運蛋白頂端極性定位的內膜分選機制。 南方科技大學助理教授李瑞熙為文章第一作者， 美國加州大學河邊分校的Glenn R. Hicks為論文通訊作者。

生長素是調控植物胚胎發育和胚後發育的關鍵影響因數。

生長素在不同細胞和組織間極性運輸， 由此產生的生長素峰值和梯度對植物器官發生和形態建成起著決定性作用。 因此， 研究生長素極性運輸的生物學機制一直是植物發育生物學的重要熱點方向。 近年來大量研究從生化、遺傳方面證實了幾類位於細胞膜上的載體蛋白具有生長素極性運輸功能， 而在膜上呈極性分佈的PIN蛋白是最受研究者關注的。 PIN蛋白能動態參與細胞內膜運輸， 其極性膜定位是持續性內吞和迴圈平衡的結果， 並受到胞轉作用調控。 PIN 蛋白胞內迴圈過程具有極性。 用真菌毒素 Brefeldin A處理或者ARF GTPase鳥苷酸交換因數 (ARF-GEF) GNOM 蛋白功能缺失都會抑制向底性迴圈(basal recycling)並破壞PIN1蛋白基底極性分佈， 但對PIN2頂端極性定位影響不大。 除了GNOM參與PIN蛋白向底性極性運輸, 向頂性極性運輸是否受到特定內膜蛋白調控尚不清楚。

為了探索調控 PIN 蛋白頂端極性定位的細胞生物學機制， 李瑞熙研究組進行了一次小規模化合物篩選， 目的在於發現能夠特異性干擾 PIN 蛋白頂端極性分佈但不影響基底極性分佈的化合物。 通過篩選， 他們發現了一種小分子化合物- Endosidin 16 (ES16)， 能夠特異性誘導頂端極性定位的 PIN2 蛋白形成胞內聚合物並改變其頂端極性分佈但不影響 PIN1 的基底膜定位。 進一步研究發現， ES16 對PIN蛋白頂端極性定位的調控作用是通過作用於一類小G蛋白RabA2A GTPase 來實現的。 蛋白序列比對分析顯示RabA2A與動物細胞中的Rab11 GTPase同源。

Rab11能夠介導動物上皮細胞囊泡向頂性極性運輸， 並定位於一類特殊的向頂性迴圈囊泡-Apical Recycling Endosome (ARE) 中。 因此， 動物細胞中存在分別介導向頂性和向底性極性運輸的亞細胞器和對應的調控蛋白。 這樣的內膜分選途徑是否在植物細胞中存在目前還未知。 李瑞熙課題組的研究顯示， RabA2A GTPase 調控的PIN蛋白頂端極性定位和向頂性極性運輸獨立於GNOM介導的向底性極性運輸， 第一次揭示了植物細胞可能與動物細胞類似也存在決定膜蛋白極性定位的不同內膜分選途徑。

圖1. ES16處理引起PIN2形成胞內聚合物並改變頂端極性分佈但不影響PIN1基底極性。

原文連結：

Different Endomembrane Trafficking Pathways Establish Apical and Basal Polarities

原文摘要：

The endomembrane system is an interconnected network required to establish signal transduction, cell polarity, and cell shape in response to developmental or environmental stimuli. In the model plant Arabidopsis thaliana, there are numerous markers to visualize polarly localized plasma membrane proteins utilizing endomembrane trafficking. Previous studies have shown that the large ARF-GEF GNOM plays a key role in the establishment of basal (rootward) polarity, whereas the apically (shootward) polarized membrane proteins undergo sorting via different routes. However, the mechanism that maintains apical polarity is largely unknown. Here, we used a chemical genomic approach and identified the compound endosidin 16 (ES16), which perturbed apically localized plasma membrane proteins without affecting basal polarity. We demonstrated that ES16 is an inhibitor for recycling of apical, lateral, and nonpolar plasma membrane proteins as well as biosynthetic secretion, leaving the basal proteins as the only exceptions not subject to ES16 inhibition. Further evidence from pharmaceutical and geneticdata revealed that ES16 effects are mediated through the regulation of small GTPase RabA proteins and that RabA GTPases work in concert with the BIG clade ARF-GEF to modulate the nonbasal trafficking. Our results reveal that ES16 defines a distinct pathway for endomembrane sorting routes and is essential for the establishment of cell polarity.

作者：李瑞熙 點擊：次