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微生物所孔照胜课题组解码微管精准切割机制
2017-10-09 | 作者: | 【 】 【打印】【关闭

  细胞骨架为细胞生命活动所必需,主要发挥支持、运输和分配功能。例如,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还调控着细胞壁纤维素的合成及沉积,在植物细胞形态建成中发挥着至关重要的作用。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)是一个中心枢纽。微管切割作用由Katanin(来源于日本武士刀katana一词)蛋白复合体完成,该复合体包含一个60 kD 的具有ATPase活性的催化亚基p60和一个80 kD 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。  

  微管切割异常会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。但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。令人兴奋的是,研究者发现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,并且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已经成为植物细胞生物学研究领域的一个明星蛋白(见图1)。上述研究发现充分表明,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。但是,微管的精准切割机制一直是个谜。另外,尚不清楚Katanin p60/p80复合体的具体组成及结构。 


    中国科学院微生物研究所植物基因组学国家重点实验室的孔照胜研究组与遗传与发育生物学研究所的高彩霞研究组合作,利用遗传学、细胞生物学和生物化学等手段成功解码了微管的精准切割机制。揭示拟南芥中Katanin p80亚基KTN80p60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)。上述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的思路及药物设计新靶标。 

     

 相关研究结果于104日发表在国际主流期刊The EMBO Journal( doi: 10.15252/embj.201796823)。孔照胜组的在读博士生王朝凤、刘魏魏和王光达为共同第一作者,董丽副研究员参与了免疫纯化和质谱鉴定。高彩霞研究组的在读博士生李君设计构建了CRISPR/Cas9基因敲除载体并指导了后代转化子的筛选鉴定。孔照胜研究员为该文章的通讯作者。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。

 

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