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微生物所解码微管精准切割机制

文章来源:微生物研究所    发布时间:2017-10-13  【字号:      】

  细胞骨架为细胞生命活动的必需,发挥支持、运输和分配功能。在细胞分裂时,细胞骨架负责将遗传物质准确无误地平均分配给两个子细胞;在细胞生长时,细胞骨架作为桥梁支架与细胞内高速公路统揽各种细胞器及囊泡的运输与分布。在植物细胞中,细胞骨架中的微管骨架调控细胞壁纤维素的合成及沉积,在植物细胞形态建成中发挥重要作用。微管骨架具有高度动态特性,不断进行活跃的重构,以响应时刻变化的发育和外界环境(包括生物和非生物刺激)信号。在不同形式微管阵列的动态转换过程中,微管切割(Microtubule Severing)是中心枢纽。微管切割作用由Katanin蛋白复合体完成,该复合体包含一个60kD的具有ATPase活性的催化亚基p60和一个80kD的包含WD-40重复基序的调节亚基p80。体外实验显示,p60可以在单根微管的任一位点进行切割,呈随机性。

  微管切割异常将造成人类和动物的老年痴呆等神经退行性病变、小脑综合征以及生殖障碍等疾病。由于神经元和纺锤体微管排布过密,无法实现活细胞显微观察微管切割事件,阻碍了活细胞中研究Katanin复合体对微管切割的精细调控机制。在植物研究领域,科学家最先鉴定了拟南芥Katanin p60编码基因KTN1的突变体,发现其细胞伸长及细胞壁合成异常,植物矮小,茎秆脆化,对光信号、激素信号及机械压力的响应均出现异常。研究发现,KTN1介导的微管切割总是特异地发生在微管交叉 (Microtubule Crossovers) 位点以及新生微管成核 (Microtubule Nucleation) 位点,并在细胞周质微管受到光或者激素信号而发生动态重构时发挥最关键的作用。因此,近年来KTN1已成为植物细胞生物学研究领域的明星蛋白(见图1)。上述研究发现表明,不同于体外实验中随机的微管切割,在体内活细胞中微管切割存在精确的调控。但微管的精准切割机制一直是个谜,Katanin p60/p80复合体的具体组成及结构尚不清楚。

  中国科学院微生物研究所植物基因组学国家重点实验室孔照胜研究组与中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组合作,利用遗传学、细胞生物学和生物化学等手段,解码了微管的精准切割机制。研究人员揭示了拟南芥中Katanin p80亚基KTN80和p60亚基KTN1呈异源二聚体形式存在于细胞质中,当发生微管切割作用时KTN80具有精确制导作用,可将KTN1-KTN80异源二聚体导向至微管切割位点,而p60亚基KTN1介导KTN1-KTN80异源二聚体的六聚体化,最终形成十二聚体的环状超复合体,并识别特异的微管构象、完成切割(见图2)。研究首次在活细胞水平揭示了微管的精准切割机制,也为精确操控微管切割提供了新思路及药物设计新靶标。

  相关研究结果发表在The EMBO Journal上。该研究得到了国家自然基金,中科院“百人计划”启动基金及植物基因组学国家重点实验室自主研究课题经费的资助。

 




(责任编辑:侯茜)

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