ROP信号途径在细胞极性发育中的研究进展_吕畅.pdf

2023，Vol.43，No.06农业与技术农业科学OP 信号途径在细胞极性发育中的研究进展吕畅 周利明(华北理工大学生命科学学院，河北 唐山 063210)摘要:细胞极性生长机理研究主要围绕极性生长区域的建立和维持、胞内外信号对该区域的时空调控等核心问题而展开。目前已知多个信号分子，如钙离子、OP 小 G 蛋白和活性氧等在植物细胞极性发育中发挥重要作用，调控胞内细胞骨架的动态重组、囊泡的极性运输和胞吐作用等多方面。本文主要对植物特有的小 G 蛋白家族OP 在极性发育模式系统(花粉管、根毛与铺板细胞)中的相关研究进展进行了系统的归纳总结，并在此基础之上对可能的调控机制进行了初步的展望。关键词:细胞极性;花粉管;根毛;铺板细胞;OP 小 G 蛋白中图分类号:S3文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330003收稿日期:20230109基金项目:河北省自然科学基金(项目编号:C2018209112);国家重点实验室开放课题(项目编号:SKLECA2013OFP15)作者简介:吕畅(1998)，女，硕士在读。研究方向:细胞信号传导;通讯作者周利明(1981)，男，博士，副教授，硕士生导师。研究方向:细胞信号传导。OP(holike GTPase from plants)是植物中介导信号传导的 ho 类小 G 蛋白(small GTPases)，参与调控细胞极性建成、细胞壁的合成、过氧化氢的生成、胞吞与胞吐等方面1。如图 1 所示，OP 有结合GTP 的活性形式和结合 GDP 的非活性形式 2 种状态。当细胞接受上游信号刺激后，鸟苷交换因子(Gua-nine nucleotide exchange factor，GEF)通过鸟苷交换作用，将与 GDP 结合的非活性形式的 OP 转变为与GTP 结合的有活性的形式。有活性的 OP 通过与一个或多个效应子相互作用，以传递不同的分子信号。GTP 酶激活蛋白(GTPase activating protein，GAP)促进小 G 蛋白结合的 GTP 水解，从而将 OP 转变成非活性状态。大部分 OP 存在膜结合态和胞质游离态 2 种形式，二者形成动态平衡。但只有与膜结合的OP 才可以被鸟苷交换因子 GEF 激活。在胞质中，OP 与鸟苷解离抑制因子(Guanine nucleotide dissoci-ation inhibitor，GDI)结合，被隔离于胞质中处于无活性的储备状态24。简而言之，GDI 和 GAP 是 OP 的负调节因子，而 GEF 则被认为是 OP 的正调节因子。OP 在胞质中和质膜上的循环以及活性和非活性形式的转换，构成一个高度动态的平衡，使得各种信号都能得到灵敏的响应。OP 作为植物中一类重要的分子开关，可与多种上游调节因子和下游效应因子发生相互作用，产生了一系列复杂的信号网络，以此调控多种细胞类型的生长过程5。图 1OP 的调控模式图1植物细胞极性发育的模式系统细胞极性是细胞发育的基本属性之一，从广义上讲称之为细胞的不对称性，需要通过细胞骨架和囊泡运输导致极性的建立和维持2，6。植物细胞极性是生命周期中每个阶段发育、生长和形态建成的基础。随着拟南芥发展成为模式植物，拟南芥的单细胞系统(花粉管或根毛)或多细胞系统(叶片铺板细胞)已成为研究植物细胞极性发育与形态建成的理想模式系统7，见图 2。花粉管萌发和生长是一个复杂的动力学过程，需要快速生长(最快可达 1cmh1)，是一类典型的单细胞极性生长系统8。大多数植物细胞在体外培养时会失去其固有的极性，而体外培养的花粉管仍旧保持其发育状态和生长极性。体外培养的便捷性以及实时01农业科学农业与技术2023，Vol.43，No.06成像系统的不断升级，使花粉管成为植物细胞极性研究中的理性模式系统9。目前，花粉管顶端生长机制的研究主要集中在 2 个相互关联的方面:顶端聚焦的钙离子梯度和 OP 信号网络。两者都可以反馈调节肌动蛋白细胞骨架的动态，从而构成花粉管顶端生长过程中复杂的信号调控网络10。叶片铺板细胞如同拼图游戏中的模块相互嵌合生长在一起，局部地区向外特定生长，形成凸起区域(lobes)。而另一相邻区域则被抑制生长，形成凹陷区域(indentations)。具备凸起与凹陷结构特征的铺板细胞的形成是一个复杂和动态的极性建成过程。另外，相邻细胞之间的凸起和凹陷的精确匹配(一个细胞的凸起刚好嵌套在相邻细胞的凹陷中)，见图 2，需要细胞间精巧的时空调节11。因此，叶片铺板细胞不仅可以用于研究细胞内复杂的极性发育过程，也可作为研究细胞间协调的极性模式系统。图 2植物细胞极性生长模式系统2OP 在细胞极性发育中的功能多样性拟南芥中基因组中存在 11 个 OP，系统发育学将这些 OP 分为 4 组，见图 3。I 组只包括 OP8;II组包括 OP9、OP10 及 OP11;III 组只包括 OP7;IV 组包括 OP1OP6 这 6 个 OP 基因12。2.1OP 控制花粉管的延伸OP1、OP3 及 OP5 在功能上存在着冗余性，CAOP1、CAOP5 和过量表达的野生型 OP1 或OP5 都可促进花粉管的去极化生长13，14。定位于质膜上的 OP1 在花粉管顶端被激活，进而作用于下游的效应子 IC3 和 IC4。前者可以引起花粉管顶端的钙离子积累，进而促进微丝的解聚。而后者可促进顶端微丝的聚合。2 条通路相互拮抗，调控微丝动态，最终达到影响花粉管极性建成的作用15。OP1 的活性是调节花粉管极性生长的关键因素。OP1 在顶端的分布存在周期性的震荡作用，并早于花粉管的生长周期震荡，说明 OP1 的活性震荡引导着花粉管生长的震荡16，17。另外，IC3 所介导的 Ca2+信号在花粉管生长过程中同样存在震荡现象18。Ca2+的震荡周期晚于 OP1 活性的震荡周期，说明 Ca2+与 OP1之间可能存在一个负反馈的调节作用，预示着 Ca2+信号相关调控因子可能参与到 Ca2+与 OP 之间的负调节机制中7。图 3拟南芥 OPs 的系统发育分析2.2OP 调控根毛的发育根毛的形态建成是个非常复杂的过程。根毛形成细胞底端膨大，而后如同花粉管的生长方式一样，在膨大细胞的顶端进行极性生长。利用 GFP 荧光标记，发现 OP2 分布在根毛延伸区域的顶端。在根毛中表达 CAOP2、OP4 或 OP6 可以导致各向辐射生长或根毛长度增加，而过量表达 DNOP2 则会抑制根毛的生长19。这些研究都证实了 OP 控制根毛的极性生长与花粉管中的情况类似，根毛中的 OP 也是通过调节顶端钙离子积累和微丝动态来实现其功能的15，19。除了调控根毛的顶端生长外，OP 还参与了根毛膨大位点的形成和极性生长位点的建立。过量表达OP2 后，根毛形成的细胞膨大位点无法正确定位而导致同一个根毛细胞会形成多个分支结构19。极性生长是一种依赖于微丝的辐射生长，而顶端位点的建成是被微管所调节，所以 OP 在早期根毛发育与伸长时期的顶端生长中所起的调控机制有所不同4。2.3OP 调控叶片铺板细胞的发育叶片铺板细胞是一类研究细胞与细胞间协同生长，以及调控弥散生长的理想模式系统。铺板细胞的形状建成主要取决于微丝和微管的排列方向。CAOP2 和 DNOP2 突变体中的铺板细胞发生了显著的形状改变20。OP2 与 OP4 拥有高度的同源性，二者在叶片铺板细胞的突起区域的顶端被激活，可以激活 IC4 引起微丝的形成，促进铺板细胞的突起区域的生长;同时 OP2 又在突起区域顶端抑制 IC1的功能。IC1 是植物特有的微管结合蛋白，能促进铺板细胞凹陷区微管的有序化排列，抑制该处细胞的侧向扩张，同时有序排列的微管还可反馈抑制 OP2的活性。两条途径相互拮抗，共同调控叶片铺板细胞112023，Vol.43，No.06农业与技术农业科学的生长21。3OP 的调控因子及其下游效应子OP 小 G 蛋白可与多个上游调控因子及下游效应子相互作用，这一点 ho 类小 G 蛋白在酵母及动物中也同样存在。OP 互作因子的多样性使之成为重要的信号分子开关并具备多样的生物学功能4。3.1OP 的上游调控因子已发现拟南芥中存在 14 个 opGEF 基因，都包括一段保守的功能未知的结构域(DUF315)，以及可变的 C端和 N端。分别过表达 opGEF1、opGEF8、opGEF9、opGEF12 及 opGEF14，可造成不同程度的花粉管去极化生长。其中，以 opGEF1 所诱导的去极化生长最为严重。另外，opGEF1、opGEF8、opGEF9、opGEF14 都定位在花粉管顶端质膜上。共表达 opGEF1 和 DNOP1，可抑制 opGEF1 过表达所诱导的去极化生长，说明 opGEF1 在花粉管的极性生长中可能激活 OP122。GAP 是一类 ho 类小 G 蛋白的失活因子。通过酵母双杂交技术发掘出一组 opGAP。这些 opGAP都含有一段 GAP 的催化结构域，并且与哺乳动物中的 Cdc42 GAP 拥有高度的同源性23。体外试验证实，opGAP 可以显著促进结合在 OP 上的 GTP 水解，但对于结合在 Cdc42 的 GTP 水解却影响不大，所以这一类 hoGAP 是一类 OP 特异作用的 GAP。opGAP包含一段 CIB(Cdc42/acinteractive binding)结构域，处于 GAP 结构域的上游1。对 CIB 结构域中的关键位点进行突变，可以显著抑制 opGAP1 的活性及其与 OP1 的结合能力，说明 opGAP1 中的 CIB结构域是促进 GTP 水解的关键区域。另外，CIB 结构域决定了 opGAP1 在花粉管顶端质膜的定位，并且影响 opGAP1 负调节因子功能的发挥23。利用 opGAP4 功能缺失突变体，已经证实 op-GAP4 负反馈调节 OP 信号途径。在氧胁迫的条件下，opGAP4 功能缺失突变体中有高水平的 OP 活性。同时氧胁迫下激活的 OP 信号和 H2O2又可以促进 opGAP4 的表达，这些结果预示着 opGAP4 介导了 OP 的负反馈调节24。拟南芥基因组编码 6 个opGAP 基因，其同源基因广泛存在于单子叶和双子叶植物中。除了保守的 CIB 和 GAP 结构域，op-GAP 的 N 端和 C 端个体间存在较大差异，说明不同的 GAP 可能执行不同的生物学功能23。3.2OP 的下游效应子酵母和哺乳动物中 ho 类小 G 蛋白可以激活多种功能不同的效应子2。效应子和 GTP 形式的小 G 蛋白结合，利用酵母双杂交技术分离出含有 CIB 结构域的 OP 效应因子，命名为 IC(op interactiveCIBcontaining protein)25。IC 优先结合有活性的小 G 蛋白，而不与结合 GDP 的小 G 蛋白作用。目前拟南芥中已证实有 11 个 IC 蛋白，除了 CIB 结构域外，其他部分有着较大不同。采用基因枪转化的方法将 9 个 IC 在烟草的花粉中进行瞬时过量表达，发现IC 过量表达呈现出以下几种类型:IC3 和 IC4 过量表达造成花粉管去极化生长;IC10 过量表达促进花粉管生长;IC5 过量表达抑制花粉管的生长;其他的 ICs 过量表达抑制花粉管的生长。另外，不同的 ICs 有着不同的花粉管亚细胞定位:IC1、IC4、OP5、OP6 与 OP7 定位于顶端质膜上;IC2 定位于顶端及亚顶端的质膜上;OP9 定位于整个质膜上;OP10 定位在细胞质中;IC3 定位在细胞质中，但在靠近顶端的区域相对集中。OP1 的过量表达对不同 IC 的定位及表型的影响也不同。OP1 可以显著增强 IC4 在顶端膜上的定位，但对于 IC2、IC5 及IC9 的影响则不大25。大部分 IC 基因在多种拟南芥组织中都有表达，在其他植物中也有 IC 的同源基因存在，这说明 IC 蛋白作为 OP 受体作用的广泛性。不同的 OP 拥有不同的下游效应子，以此调控不同的细胞功能1，7。4展望近年来，利用几种植物模型系统(花粉管