Nature Commun. | 拟南芥根表皮细胞分化模式起始的分子机制

在多细胞的组织或生命体中，细胞间以及细胞与环境之间的信号交流非常重要，其中细胞间的接触和细胞的位置会影响细胞的分化，最终影响器官和组织的发育过程和结果。目前，拟南芥的表皮细胞是研究细胞间差异分化机制的简单模型。拟南芥根表皮细胞含有两种细胞，包括根毛细胞 (Hair cells, H型细胞) 和非根毛细胞 (Non-hair cells, N型细胞) 。这两种类型细胞是由表皮细胞位置决定的。如图1中所示，H型细胞 (R) 与两个皮层细胞接触，而N型细胞 (H) 只与一个皮层细胞接触【1,2】。这种根表皮细胞是否分化成根毛由该细胞的位置决定，也就是位置决定模式 (position-dependent pattern)。

图1 拟南芥根伸长区的横切图

R (Root Hair cell, 根毛细胞) , H (Hairless Cell, 非根毛细胞) , C (Cortex, 皮层)

已有研究表明，很多基因参与根表皮细胞分化模式过程，其中主要涉及两个核心转录因子。一个是R2R3类MYB转录因子WEREWOLF (WER) ，该转录因子主要在N型细胞中表达，可以直接诱导GLABRA2 (GL2) 的表达，GL2是抑制拟南芥表皮细胞形成根毛的关键基因【3】。另一个是R3类MYB转录因子CAPRICE (CPC) ，在H型细胞中该基因部分受到螺旋-环-螺旋型蛋白ENHANCER OF GLABRA3 (EGL3) 的调节起到抑制GL2表达的作用。更进一步的研究发现，在N型细胞中WER可以直接激活CPC的表达，而CPC可能通过胞间连丝进入临近的H型细胞，进而反过来抑制WER及GL2的表达【4-6】。因此，根表皮细胞的不同分化结果主要由N型细胞与H型细胞中WER及CPC的表达差异决定的。此外，作为一类重要的激酶，类受体蛋白激酶 (RLKs) 参与细胞间以及细胞与环境之间的起始信号交流。早在2005年，Schiefelbein团队就发现了亮氨酸富集型类受体蛋白激酶(LRR-RLK) SCRAMBLED (SCM/SUB/SRF9)对拟南芥表皮细胞维持正常分化起到关键作用【7】（图2）。SCM突变体呈现出拟南芥根表皮细胞发育模式紊乱的表型，该表型主要是SCM的突变影响了WER、CPC、EGL3以及GL2等这些关键基因的表达产生的。

图2 SCM缺失突变影响GL2:GUS的细胞定位及根毛表型

在2008年，该团队又发现了SCM调控该过程的机制【8】（图3）。即在H型细胞中CPC及复合体可以增加SCM的表达而在N型细胞中SCM的表达会被WER及复合体所抑制。其中在N型细胞中WER可以增加CPC的表达，CPC具有细胞自主性进入H型细胞中反过来抑制WER的表达，这样导致的结果是SCM蛋白在H细胞中表达和积累而在N型细胞受到抑制和减少。综上，SCM调节根表皮细胞分化模式主要是通过与两组转录因子WER及CPC形成的反馈机制来调节的。

图3 SCM反馈调节模型

作为上游信号受体蛋白SCM还与跨膜蛋白QUIRKY (QKY) 互作，共同调控根表皮细胞模式发育。但是SCM蛋白在H型及N型细胞中的表达差异的起始根源尚不清楚。最近，韩国Yonsei University的Myeong Min Lee团队以及合作者在Nature Communications 发表了题为 QUIRKY regulates root epidermal cell patterning through stabilizing SCRAMBLED to control CAPRICE movement in Arabidopsis的研究论文。该研究报道了QKY可以通过稳定SCM来影响CPC在表皮中的移动从而调节拟南芥表皮层细胞分化模式的起始机制。

Myeong Min Lee团队及合作者一直致力于根表皮细胞模式机制的研究。在该研究中，研究人员在GL2::GFP转基因拟南芥中通过EMS筛选到与scm-2相似表型的突变体。通过测序及回补实验验证该基因是QKY一个等位突变，命名为qky-16。表达模式及遗传分析显示，QKY与SCM均在根表皮细胞中表达并调控同一信号通路，并且处于相对上游位置。为了研究QKY与SCM影响根表皮细胞模式的原因，研究人员构建了SHRp:CPC-GFP并检测这些CPC在qky-16及scm-2突变体中的蛋白水平，发现QKY及SCM均增加了CPC向H细胞中的转移，进一步实验表明这两个基因只影响转入H细胞而不影响转出。

为了更进一步阐明两个膜蛋白QKY与SCM是如何协同调控表皮细胞的分化，研究人员分析了QKY的具体跨膜区，并证明了两者主要在胞外区域互作。进一步生物学实验发现，在qky-16 scm-2双突变体中，SCM-GFP融合蛋白比单突scm-2中分子量大一些，不同蛋白酶抑制剂处理发现SCM蛋白在双突变体中更容易被半胱氨酸蛋白酶所依赖的方式特异降解。同时发现，SCM蛋白在突变体qky-16中膜上蛋白明显减少，蛋白内化增加。这些间接证据都表明，QKY能够阻止SCM的胞吞和在液泡内的降解。生化数据也证实了SCM至少三个位点被泛素化修饰，说明QKY能够使得SCM稳定是由于前者可以影响后者被泛素化的结果，不过QKY是直接去泛素化还是抑制泛素化抑或间接帮助阻碍泛素化还不够明确。

综上，在根表皮细胞中，QKY主要在H型细胞中表达并积累，通过与SCM胞外区互作并抑制SCM的泛素化，使得SCM在H型细胞中稳定积累，积累的蛋白能够增加CPC蛋白向H型细胞的移动，从而决定细胞的分化，最终影响表皮细胞模式。

该研究虽然解释了SCM在H型细胞中积累的起始原因，但是QKY在H型细胞与N型细胞中的表达差异是如何决定还不清楚。此外，SCM是感知到什么信号分子被激活且是否会被磷酸化修饰都没有涉及。最后，SCM作为膜上顶端信号分子到转录因子是如何调控的，直接还是间接? 这些也有待解决。

参考文献

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论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09715-8