Nature Plants | 細胞極性生長的調控新機制

Nature Plants | 細胞極性生長的調控新機制

責編 | 逸雲

細胞極性是真核細胞的一個基本屬性。細胞極性生長是細胞極性的一種重要表現形式。植物中細胞的極性生長有的是單向的，例如花粉管和根毛的頂端生長，有的只限制在植物某個特定部位，例如擬南芥葉的毛狀體或葉表皮的扁平細胞。真核細胞極性生長的重要調節因子是Rho家族的分子開關小G蛋白（GTPases），細胞的極性生長需要在不同的質膜域對Rho GTPases信號傳導進行精確調控【1,2】。植物Rho家族（ROP）的GTPases活性受鳥嘌呤核苷酸交換因子（guanine nucleotide-exchange factors, GEFs），GTPase激活蛋白（GAPs）和鳥嘌呤GDP解離抑制劑（GDIs）的調控【3】。目前，有關GAPs的調控機制仍不清楚。

近日，德國雷根斯堡大學（University of Regensburg）Stefanie Sprunck團隊在Nature Plants在線發表了題為ARMADILLO REPEAT ONLY proteins confine Rho GTPase signalling to polar growth sites的研究論文，揭示了AROs蛋白調節ROP信號介導細胞極性生長的機制。

已有的研究表明，擬南芥ARO1（ARMADILLO REPEAT ONLY 1）在雌雄配子體中特異表達，對花粉管頂端生長至關重要【4】。本研究綜合分析了ARO2、ARO3和ARO4的單突變體（aro2-1, aro3 和 aro4-1）、雙突變體（aro2-1 aro3-1、aro2-1 aro3-2、 aro2-1 aro4-1 和 aro3-1 aro4-1）和三突變體（aro2/3/4）表型，發現ARO2、ARO3和ARO4在根毛突起和根尖生長過程中功能冗餘，對於根毛細胞和毛狀體中生長點的穩定十分重要的（圖1）。同時，AROs蛋白在頂端生長細胞中功能十分保守。

圖1. aro2-1aro3雙突變體和aro2/3/4三突變體的根毛生長發育情況

進一步研究發現，AROs與ROP1增強子GAPs（RENGAPs）互作，並通過ARO氨基末端的一個保守的多元區域結合到質膜上。在aro2/3/4突變體根毛細胞中ROP2能夠異位擴散。此外，AROs優先與活躍ROPs和陰離子磷脂相互作用，表明AROs招募RENGAPs與ROPs一起形成複合物，從而將ROP信號轉導限制在質膜的不同區域（圖2）。

圖2. 頂端生長細胞中ARO蛋白作用模式圖

綜上所述，本研究發現AROs蛋白作為信號傳導支架，通過與RENGAPs和陰離子磷脂結合，並與GTP結合的ROP互作，將ROP信號限制在質膜的不同結構域中，從而介導頂端生長細胞實現對信號的快速響應並適應不斷變化的環境。

參考文獻：

【1】Feiguelman, G., Fu, Y. & Yalovsky, S. ROP GTPases structure–function and signaling pathways. Plant Physiol. 176, 57–79 (2018)；

【2】Jafe, A. B. & Hall, A. Rho GTPases：biochemistry and biology. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21, 247–269 (2005)；

【3】Cherfls, J. & Zeghouf, M. Regulation of small GTPases by GEFs, GAPs, and GDIs. Physiol. Rev. 93, 269–309 (2013)；

【4】Gebert, M., Dresselhaus, T. & Sprunck, S. F-actin organization and pollen tube tip growth in Arabidopsis are dependent on the gametophyte-specifc Armadillo repeat protein ARO1. Plant Cell 20, 2798–2814 (2008).

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41477-020-00781-1