Rho-actin信号途径在拟南芥木质部导管细胞壁边界形成中的机制

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  Rho家族是一类 GTP 结合蛋白,具有 GTP 酶活性,因此,习惯被称为 Rho GTP 酶。Rho GTP 酶是重要的信号转导分子,参与多种重要的细胞生命活动,在细胞骨架重组调控方面其重要作用【1,2】。ROP(Rho-like GTPases from Plant)为植物中特有的小分子G蛋白 Rho 家族的成员,通过控制微管和肌动蛋白丝调控细胞壁沉积模式,从而确定细胞形状和功能【3】。

  在植物木质部导管的发育过程中,细胞壁沉积并不是均匀分布的,有些地方并不发生沉积,这些细胞壁沉积被局部抑制的地方会在次生细胞壁中形成小的凹陷孔洞,被称为纹孔,水分通过纹孔在木质部导管之间移动。

  前期研究报道,ROP11 局部活化通过其效应子 MIDD1 和驱动蛋白 13A 诱导微管解聚,从而形成纹孔【4】。然而,ROP 信号如何在细胞壁中建立具有特化结构域的边缘和边界仍知之甚少。

  近日,来自日本国家遗传学研究所的Yoshihisa Oda团队在Nature communications在线发表了题为 A Rho-actin signaling pathway shapes cell wall boundaries in Arabidopsis xylem vessels 的研究论文,该研究发现了 Rho-actin 信号传导途径在拟南芥木质部导管中形成细胞壁边界的新机制。

  

  该研究鉴定了新的调控拟南芥中次生木质部导管分化的 ROP 信号途径。通过分析在拟南芥导管分化过程中上调的基因,作者鉴定了一个具有卷曲螺旋结构域的新蛋白,命名为 WAL,并分析了其亚细胞定位,发现 WAL 蛋白以丝状结构于次生细胞壁纹孔处累积,调节细胞壁向内生长,并与 F-actin 相互作用,促进纹孔边缘肌动蛋白组装。进一步的研究发现,DUF620 结构域蛋白 BDR1 与 WAL 相互作用并募集 WAL 到质膜,这种募集机制是 ROP 依赖的。BDR1 是 ROP 效应子,定位于次生细胞壁纹孔边缘。

  

  纹孔中ROP信号通路的示意图

  这些结果表明,BDR1 和 WAL 介导的 ROP-actin 途径,形成纹孔边界。该研究揭示了一种独特的机制,其中两个密切相关的 ROP 途径调节细胞壁沉积模式,建立微小但高度特化的细胞壁结构域。WAL 和 BDR 在开花植物中高度保守,并且在若干个树种的纹孔中也发现肌动蛋白环,这表明 ROP-BDR-WAL 途径可以被广泛保存并且有助于在各种植物中提供强有力的水分运输。

  参考文献:

  1.Heasman, S. J. & Ridley, A. J. Mammalian Rho GTPases: new insights into their functions from in vivo studies. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 690-701 (2008).

  2.Chiou, J. G., Balasubramanian, M. K. & Lew, D. J. Cell polarity in yeast. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 33, 77-101 (2017).

  3.Yang, Z. &Lavagi, I. Spatial control of plasma membrane domains: ROP GTPase-based symmetry breaking. Curr. Opin. Plant. Biol. 15, 601-607 (2012).

  4.Oda, Y. & Fukuda, H. Initiation of cell wall pattern by a Rho- and microtubule-driven symmetry breaking. Science 337, 1333-1336 (2012).

  https://doi.org/10.1038/s41467-019-08396-7

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