Nature Commun | 四川大学易培珊课题组揭示植物细胞极性生长和细胞大小协同调节机制

责编 | 王一

细胞极性是生命体打破对称性，建立种类多样的组织结构、实现形态建成的基础。由于植物细胞无法运动，因此极性的建立对植物细胞启动新的细胞组织方式和改变细胞形态尤其重要。Rho家族分子开关小G蛋白（small GTPases）是真核生物中保守的极性蛋白，植物中相应的同源物为ROP（Rho of plants）。与酵母和动物细胞中Cdc42/Rho/Rac家族相似，ROP通过在细胞膜上形成极性膜区，驱动细胞极性的建立和下游信号转导，相关机制的研究一直是植物细胞生物学领域的研究热点。

近日，四川大学生命科学学院易培珊课题组在Nature Communications发表了题为“Two subtypes of GTPase-activating proteins coordinate tip growth and cell size regulation in Physcomitrium patens”的研究论文，揭示了两类ROP相关GAP蛋白协同调控植物细胞极性生长和细胞形态的新机制。

关于植物细胞极性建立，目前的主流观点认为ROP通过自组织方式形成极性膜区。这一机制与ROP的动态活化和失活密切相关。ROP的活性受鸟嘌呤核苷酸交换因子（guanine nucleotide-exchange factors, GEFs），GTPase激活蛋白（GAPs）和鸟嘌呤GDP解离抑制剂（GDIs）三类因子调控。其中GEF将结合GDP的失活形式ROP（ROP-GDP）转换为GTP结合形成的ROP（ROP-GTP），GAP将活性形式的ROP-GTP转换为失活形式的ROP-GDP，GDI将失活形式的ROP-GDP从膜上解离，转运至细胞质中。长期以来，GAP蛋白被认为必须在局部膜微区中不断将活性形成的ROP-GTP失活。由于ROP相关GAP基因具有两个不同的类别RopGAP和RenGAP，且RopGAP基因数多，存在功能冗余，因此这一推测是否正确一直缺乏来自突变体研究的直接证据。

四川大学易培珊团队以早期陆生植物小立碗藓为对象，对所有RopGAP和RenGAP展开系统研究。研究首先发现RopGAP和RenGAP具有不同的细胞定位。其中RenGAP定位于细胞质，RopGAP定位于极性膜区，且与RopGEF和ROP共同存在于纳米尺寸的颗粒聚集体中。研究构建了RopGAP和RenGAP基因的完全突变体，意外发现敲除所有RopGAP对细胞极性生长和植物发育仅有微弱影响，敲除 RenGAP对生长发育无影响。相反，同时敲除所有RopGAP和RenGAP可以显著抑制极性生长，因此二者具有功能冗余。系列研究表明极性膜区的形成不依赖于RopGAP介导的局部ROP失活，而需要整体活性水平的下调。此外，研究意外发现过表达RopGAP和RenGAP对细胞宽度具有相反作用。生化和体内实验表明RopGAP具有比RenGAP更高的ROP结合能力，但GAP活性仅为RenGAP的1/10。RopGAP通过其高结合力形成聚集体，限制膜区的大小，抑制细胞宽度。RenGAP则通过快速失活ROP，负调细胞宽度。

图1. RopGAP和REN协同调控极性生长和细胞宽度的模型

该研究主要取得了两个新的重要发现：1.与原有的模型不同，RopGAP介导的ROP局部失活不是极性膜区形成的必要条件，RopGAP和RenGAP对ROP活性的整体下调是必要的；2.RopGAP的主要作用是限制膜区的大小，调节细胞宽度，RenGAP对此有拮抗作用，这一功能差异与二者的生化活性不同有关。因此，两类GAP蛋白在细胞生长过程中既协同调节极性膜区的形成，又可以差异性地影响极性膜区的大小，从而精细调控细胞生长和细胞大小。RopGAP和RenGAP在所有陆地植物中高度保守，这一巧妙的协作机制可能在植物细胞的形态建成中具有普遍意义。

四川大学生命科学学院硕士研究生阮静童、赖邻宇为本研究共同第一作者，易培珊研究员为通讯作者，已毕业本科生欧宏鑫参与了部分工作。研究受到国家自然科学基金、四川省人才项目、四川大学科研基金的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-42879-y

易培珊课题组长期从事植物细胞形态建成和发育调控机制研究，目前主要关注细胞生长和分裂方式在发育模式演化过程中的重要作用。课题组近期以低等陆生植物小立碗藓为模型，揭示了极性蛋白和细胞骨架调控植物细胞生长和分裂的系列机制，成果先后发表于Current Opinion in Plant Biology（2018），Current Biology（2020），Plant Biotechnology Journal（2020），New Phytologist（2022），The Plant Cell（2022），Nature Communications（2023）等领域内重要学术期刊。课题组主页：

https://psyi.github.io（英文）

https://life.scu.edu.cn/info/1048/3795.htm（中文）