中国农业大学生物学院在Nature Communications杂志上发表最新研究成果

基于微管的囊泡运输通常依赖于运动蛋白和动力蛋白马达，很少有报道描述微管聚合驱动定向囊泡运输。2024年9月11日，中国农业大学生物学院傅缨团队在Nature Communications在线发表题为“Endomembrane trafficking driven by microtubule growth regulates stomatal movement in Arabidopsis”的研究论文，该研究揭示了微管生长驱动的囊泡运输机制，该机制涉及PM蛋白的重新分配以调节保护细胞的运动。研究表明，拟南芥END BINDING1b (EB1b)是一种微管正端结合蛋白，可直接与SYP121相互作用，SYP121是一种SNARE蛋白，可介导K+通道KAT1的运输及其在拟南芥保护细胞中的质膜(PM)分布。敲除AtEB1b及其同源蛋白会导致保护细胞中KAT1和SYP121的分布发生轻微但显著的变化，从而延迟光诱导的气孔打开。活细胞成像显示，SYP121相关的一部分膜区室与AtEB1b共同定位在微管的生长端，随着微管的生长运输到PM。

在所有真核细胞中，膜室和细胞器的空间定位和运动是细胞功能的基础，主要由细胞骨架控制。基于微管的囊泡运输和细胞器定位在动物细胞中很常见，并且已知依赖于动力蛋白和动力蛋白运动蛋白。在植物细胞中，长期以来人们一直认为定向囊泡运动主要依赖于基于肌动蛋白的肌球蛋白运动。然而，后来，研究人员揭示了微管在植物内质网(ER)的运动和形态、纤维素合成酶复合物在质膜(PM)上的插入和系结以及生长素外排载体PIN2向质膜的内吞循环中的关键作用。有人提出，微管及其马达可能锚定或减缓细胞器/囊泡的目标，使其到达适当的目的地。有趣的是，据报道，细胞内含有纤维素合成酶的小室室与微管系在一起，并与微管的解聚合端跟踪，这表明微管动力学在细胞器运动中起作用。然而，关于植物细胞中基于微管生长的定向囊泡运输的报道缺乏。

几乎所有被子植物的所有地上部的表皮上都有气孔，气孔被一对保护细胞包围。保护细胞响应各种激素和环境刺激，如脱落酸、光和大气CO2水平，以及非生物和生物胁迫，精确调节光合气体交换和水分蒸腾，并通过调节气孔的开闭来限制病原体的入侵。在气孔运动过程中，在K+、Cl-和其他溶质通过PM及细胞质的运输的驱动下，每个保卫细胞的体积迅速变化，从而影响细胞的渗透含量和膨胀。在这一过程中，保卫细胞内离子通道的囊泡运输有助于气孔运动。研究表明，K+通道KAT1向PM的再循环调节对气孔运动具有重要意义。也有报道称SYP121结合KAT1可促进KAT1通道活性。在开放气孔的保护细胞中，肌动蛋白丝(F-actin)和微管均呈由腹侧向背侧辐射的模式排列。在早期的研究中，通过观察气孔运动过程中的重组和基于药理分析，认为F-肌动蛋白参与气孔运动；然而，关于微管在气孔运动中的作用的报道存在争议。一些研究表明，气孔的打开需要微管，而关闭不需要微管；然而，一些人提出微管不是保护细胞功能所必需的。最终，新出现的证据支持了保卫细胞中的微管动力学参与气孔运动的事实。此外，药理学分析表明，微管的破坏阻碍了气孔的开放，而微管的稳定导致气孔关闭的延迟。微管相关蛋白(MAPs)的微管结合结构域的表达导致光诱导气孔打开失败。所有这些证据表明，微管组织和动力学在保护细胞的正常功能中起着重要作用。此外，还提出了微管在调节K+和Ca2+通道活性中的假设作用。然而，潜在的机制仍不清楚。

AtEB1蛋白影响SYP121相关的TGN/EE在细胞表面的分布（图源自Nature Communications ）

末端结合1 (EB1)家族成员是众所周知的微管+末端跟踪蛋白(+TIPs)，在酵母、动物和植物中都是保守的。这些蛋白直接调节微管+端或募集其他+TIPs的动态，并作为+TIP相互作用网络的主整合子。拟南芥基因组编码三个EB1同源物，AtEB1a, AtEB1b和AtEB1c，它们被分为两个亚支系。AtEB1a和AtEB1b在氨基酸水平上与哺乳动物的EB1表现出相对较高的相似性，并以彗星状结构存在，以跟踪微管的生长+端(不同物种的EB1蛋白中保守的模式)。有趣的是，AtEB1a和AtEB1b可以相互作用，但不能与AtEB1c相互作用。AtEB1c的分化程度更高，其C端尾部包含一个功能性核定位信号(NLS)和一个可能在AtEB1a/b中缺失的额外功能基元。尾部区域的独特特征将其与其他EB1蛋白区分开来。遗传分析表明，AtEB1蛋白在根生长和对触摸和重力信号的响应中起作用。研究报道，AtEB1蛋白的缺失降低了微管+端生长速度，但增加了收缩速度，这表明AtEB1蛋白通过抑制微管+端收缩来调节微管动力学。研究还提示AtEB1蛋白参与了黄化下胚轴细胞中皮质微管阵列在蓝光刺激下的重新定向。

有趣的是，这三种AtEB1基因在保护细胞中均有较强的表达，但相关AtEB1蛋白在气孔运动中的作用尚不清楚。研究发现在eb1a 1b 1c三突变体中，光诱导的气孔打开明显延迟，并且KAT1和SYP121重新分布到保护细胞的PM中。在SYP121和AtEB1a/b之间检测到有直接的相互作用。使用AtEB1b-GFP作为荧光探针，进行了活细胞成像，发现SYP121与反式高尔基网络/早期核内体(TGN/EE)区室相关，并被AtEB1b招募到微管正端，随着微管的生长运输到PM。研究揭示了植物中微管和端向囊泡的运输，建立了光诱导气孔开放过程中保护细胞中PM蛋白重新分配的新机制。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52338-x

来源：中国农业大学生物学院