PNAS發表了題為「Mechanism of CAP1-mediated Apical Actin Polymerization in Pollen Tubes」的研究論文。該論文綜合生物化學、遺傳學和活體成像技術揭示了腺苷酸環化酶相關蛋白1（CAP1）通過產生可聚合的單體肌動蛋白（G-actin）控制花粉管頂端從質膜上產生的微絲聚合。
iScience發表了題為「The Balance between Actin Bundling Factors Controls Actin Architecture in Pollen Tubes"的研究論文。該論文綜合生物化學、遺傳學和活體成像技術揭示了在擬南芥花粉管中維持微絲成束因子FIM5和PLIM2a/PLIM2b之間的平衡對於產生正常的微絲結構至關重要。
開花植物的花粉管生長是一種頂端生長方式，通過其頂端生長把兩個不能運動的精細胞輸送到胚珠進行雙受精。花粉管生長非常快速，幾十年來，國際上有很多研究組在探討花粉管快速頂端生長機制。黃善金課題組以擬南芥花粉管為細胞學系統研究花粉管生長的調控機制，其中重點解析微絲骨架在控制花粉管生長過程中的功能和作用機制。一直以來，微絲骨架在花粉管生長過程中的重要性得到了人們的廣泛認可和關注，但微絲在花粉管頂端是否存在一直存在爭論。另外，如果花粉管頂端存在微絲，那些微絲從哪裡產生以及在空間上形成怎樣的排布也期待揭示。相關問題的回答將豐富人們對花粉管生長調控機制的理解。運用活體微絲顯微成像技術並結合利用一些花粉管微絲動態出現缺陷的突變體，黃善金課題組早期的觀察發現花粉管頂端存在著一個高度動態的微絲群體，並證明了這些微絲主要是從花粉管頂端質膜上聚合而來（Plant Cell, 2013; J Exp Bot., 2016; Mol Plant, 2017）。
黃善金課題組後續的研究證明，微絲從花粉管頂端質膜的聚合主要是由formin/profilin元件所控制（Mol Plant, 2015; PLoS Genet., 2018）。由於推測花粉管中G-actin主要以G-actin-profilin複合體的形式存在，產生和維持一個可聚合的ATP-G-actin-profilin複合體庫是花粉管頂端微絲聚合調控模型中的關鍵步驟。相比動物profilins能夠促進G-actin的核苷酸交換，植物profilins缺乏或抑制G-actin的核苷酸交換，解聚的ADP-G-actin必須先轉換成ATP-G-actin然後再轉交給profilin形成ATP-G-actin-profilin複合體才能重新進入微絲聚合循環。另外，由於微絲解聚因子（actin-depolymerizing factor; ADF）是花粉管微絲骨架動態轉換的關鍵因子（Plant Cell, 2013; J Cell Sci., 2017），解聚的G-actin應該主要以ADP-G-actin-ADF複合體的形式存在。由於ADF偏好結合ADP-G-actin並抑制其核苷酸交換，如何使ADP-G-actin和ADF解離並使其轉化為ATP-G-actin至關重要。
在本研究中，黃善金課題組發現CAP1能夠和花粉ADF和profilin協作在體內和體外促進G-actin核苷酸交換和微絲動態轉換。進一步的研究發現CAP1主要通過其氨基末端和ADF協作促進微絲動態轉換並幫助ADP-G-actin從ADF上解離；CAP1接著通過其羧基末端促進ADP-G-actin核苷酸交換產生ATP-G-actin，最後傳遞給profilin形成ATP-G-actin-profilin複合體用於支持錨定在質膜上的formin蛋白介導的微絲聚合（見下圖）。總之，本研究系統地闡釋了CAP1作為中間分子在ADF和profilin之間發揮功能，進而在花粉管微絲聚合和解聚過程中起到了核心的作用。該研究加深了人們對花粉管頂端微絲聚合和解聚機制的理解。
CAP1調控花粉管頂端微絲聚合作用模型
清華大學生命學院黃善金研究員為本文的通訊作者，黃善金課題組的博士後蔣玉祥、已畢業博士生常明和博士研究生蘭亞仙為本文的共同第一作者。本課題得到了國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯合中心和中國博士後基金會的資助。
原文閱讀：
https://www.pnas.org/content/early/2019/05/22/1821639116
花粉管生長為兩個不能運動的精細胞提供運輸載體，最後將精細胞送到胚珠完成開花植物的雙受精過程。花粉管生長非常快速，探討花粉管生長調控機制一直是植物生殖生物學和細胞生物學領域重要的科學問題。與花粉管快速生長相匹配的是花粉管中存在著旺盛的由微絲骨架系統驅動的細胞質環流現象。目前對於花粉管胞質環流現象的認識如下：即一些囊泡或細胞器以微絲骨架為軌道在花粉管中產生運動。在這個理論框架中，產生和維持有序的微絲結構是推動胞質環流的基礎。花粉管如何控制這些有序微絲結構的產生得到了人們的廣泛關注，大部分的研究集中在解析某一個或某一類微絲成束因子的功能和作用機制上，對於不同類微絲成束因子如何協作調控花粉管微絲結構幾乎一無所知。
黃善金課題組前期的研究發現擬南芥FIM5作為重要的微絲成束因子在花粉管中穩定微絲並控制其空間排布，進而控制胞質環流和花粉管生長（Plant Cell, 2010; J Exp Bot., 2016; J Biol Chem., 2016）。但在研究的過程中發現缺失FIM5的花粉管中充滿了大小比較均勻的微絲束，這個現象不太容易從丟失一個微絲成束因子的角度對fim5突變體花粉管中出現的微絲結構缺陷進行合理的解釋。當時推測一些生化性質各異的微絲成束因子在fim5突變體花粉管中功能替代了FIM5產生了異常的微絲排布。為了找到這些功能替代的微絲成束因子，當時進一步的假設是那些與FIM5生化性質各異的微絲成束因子的轉錄水平在fim5突變體花粉中可能發生了改變。基於該假設，黃善金課題組對fim5突變體和野生型花粉的轉錄組進行了分析，發現微絲成束因子PLIMs的轉錄水平在fim5突變體花粉中顯著上調。後續的實驗證明PLIMs蛋白的功能上調確實是造成fim5突變體花粉管中微絲結構缺陷的其中一個重要的原因。綜合本論文中的研究結果，表明維持FIM5和PLIMs之間的平衡對於花粉管槽部產生正常的微絲束結構至關重要（見下圖）。本研究增進了人們對胞內微絲高級結構調控機制和花粉管生長調控機理的理解，並為未來深入解析不同微絲成束因子之間的功能協作和機制奠定了良好的基礎。
FIM5和PLIMs之間的平衡對於花粉管產生正常微絲結構至關重要
清華大學生命學院黃善金研究員為本文的通訊作者，黃善金課題組已畢業博士張瑞輝、已出站博士後屈曉璐和已畢業博士張孟為本文的共同第一作者。本研究得到了清華大學生命學院王宏偉實驗室以及首都師範大學於榮實驗室的大力幫助。本課題得到了國家自然科學基金委和清華-北大生命科學聯合中心的資助。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004219301634
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