Nature Plants | 王志勇团队揭示植物细胞分裂调控新机制

动物和真菌细胞的分裂的分子机制已经被深入研究，但由于部分关键蛋白不保守的缘故，植物和顶复门（Apicomplexan）生物的细胞分裂过程仍有许多未解之谜。其中一个例子便是 有丝分裂促进因子CDC25磷酸酶。在动物和真菌细胞中，当DNA受到损伤或者未完成复制时，细胞周期调控的关键激酶cyclin-dependent kinase (CDK)被磷酸化失活，从而阻止细胞进入有丝分裂。当细胞完成DNA修复和复制时，CDC25对CDK磷酸化启动细胞进入有丝分裂【1】。CDC25缺失会导致细胞DNA复制后无法进入有丝分裂。然而，在植物和顶复门生物中并没有CDC25磷酸酶的同源蛋白，因此，它们如何调控细胞跨过检查点使细胞进入分裂期是植物细胞生物学的一大谜题【2】。

近日，斯坦福卡内基研究所（Carnegie Institution for Science）王志勇团队在植物学顶级期刊Nature Plants在线发表了题为Mitotic entry is controlled by the plant-specific phosphatase BSL1 and cyclin-dependent kinase B的研究论文【2】，揭示了植物特有的BSL1磷酸酶通过去磷酸化CDKB调控细胞分裂的新机制。

研究人员发现发现了蓝衣藻（Chlamydomonas）BSL1磷酸酶的突变（bsl1-1）造成细胞在DNA复制完成后无法正常地进入有丝分裂。

图1. 蓝衣藻bsl1 敲除突变体无法正常进行细胞分裂

为了进一步探索BSL1磷酸酶在细胞分裂中的作用，研究人员对野生型蓝衣藻和bsl1-1突变体进行了磷酸蛋白质组学分析，并发现在bsl1-1中，CDKB的一个保守肽段的苏氨酸14（Thr14）和酪氨酸15 (Tyr15) 位点磷酸化显著增加。而在动物细胞中这两个位点正是被CDC25去磷酸化，从而使细胞进入分裂期的关键。随后研究人员纯化了CDKB和BSL1并通过生物膜干涉实验证明了他们存在直接的互作，同时从植物中免疫沉淀得到的磷酸化形式的CDKB可以在体外被BSL1直接去磷酸化（图2）。

图2.BSL1能够与CDKB直接互作并去磷酸化CDKB

为了证实Thr14和Tyr15磷酸化/去磷酸化的功能，研究人员通过将这两个位点突变成模拟磷酸化的谷氨酸(Glc)和天冬氨酸(Asp)证明了磷酸化抑制CDKB的功能。而当这两个位点突变成不能被磷酸化的丙氨酸和苯丙氨酸时，细胞能在培养基上生长，但对DNA合成抑制剂超敏感，说明CDKB的磷酸化对DNA复制未完成时推迟细胞分裂是必须对。 这些研究结果阐明，与真菌和动物类似，植物细胞分裂也受Thr14和Tyr15磷酸化控制，但植物没有CDC25，而是用BSL1催化CDKB去磷酸化来启动有丝分裂，这一发现填补了植物中细胞分裂调控的空白，为植物细胞进入分裂期的调控机制提供了新的见解。

值得一提的是，BSL1家族在高等植物中已知道的功能包括多个受体激酶的下游信号转导，其中包括生长激素油菜素brassinosteroid/BRI1，免疫信号鞭毛素Flagellin/FLS2信号通路【4】, 和气孔发育信号通路【5】。 BSL1的原始功能可能是有丝分裂促进因子，在多细胞高度植物中进化出多种信号转导功能。

图3. 动物和植物细胞中分裂期的不同调控方式示意图

斯坦福Carnegie研究所的王志勇教授为论文的通讯作者，Carnegie研究所的博士后Frej Tulin为论文的第一作者。本研究得到了美国National Institute of Health (NIH)，National Science Foundation (NSF)，欧洲玛丽·居里基金，以及Carnegie研究所经费的支持。

参考文献：

1. Arlsson-Rosenthal, C., and Millar, J.B. (2006). Cdc25: mechanisms of checkpoint inhibition and recovery.Trends Cell Biol16, 285-292. 10.1016/j.tcb.2006.04.002.

2. Boudolf, V., Inze, D., and De Veylder, L. (2006). What if higher plants lack a CDC25 phosphatase? Trends Plant Sci 11, 474-479. 10.1016/j.tplants.2006.08.009.

3. Tulin F., Aizezi Y., Reyes A., Fujieda Y., Grossman A., Xu S-L., Z., Onishi M.,Assaad F., and Wang Z-Y. (2025). Mitotic entry is controlled by the plant-specific phosphatase BSL1 and cyclin-dependent kinase B.Nature Plants, in press

4. Park, C.H., Bi, Y., Youn, J.H., Kim, S.H., Kim, J.G., Xu, N.Y., Shrestha, R., Burlingame, A.L., Xu, S.L., Mudgett, M.B., et al. (2022). Deconvoluting signals downstream of growth and immune receptor kinases by phosphocodes of the BSU1 family phosphatases. Nat Plants 8, 646-655. 10.1038/s41477-022-01167-1.

5. Guo, X., Park, C.H., Wang, Z.Y., Nickels, B.E., and Dong, J. (2021). A spatiotemporal molecular switch governs plant asymmetric cell division. Nat Plants 7, 667-680. 10.1038/s41477-021-00906-0.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-02145-z