糖基磷脂酰肌醇(GPI)修飾作為重要的蛋白質(zhì)修飾形式,可使非跨膜蛋白分泌并定位到質(zhì)膜胞外側(cè)特定區(qū)域,參與細(xì)胞表面的信號(hào)感知、細(xì)胞粘附、物質(zhì)運(yùn)輸和新陳代謝等生物學(xué)過程。成熟的GPI修飾通常包含保守的糖基核心結(jié)構(gòu)和可變的尾部脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究表明,GPI脂質(zhì)特征對(duì)于GPI錨定蛋白定位到質(zhì)膜特定微區(qū)及執(zhí)行特定功能至關(guān)重要。GPI脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成須經(jīng)多步重塑反應(yīng)、由不飽和脂肪酸鏈轉(zhuǎn)變成飽和脂質(zhì),在酵母中最終形成磷脂酰肌醇(PI)或磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)脂質(zhì)結(jié)構(gòu),而在動(dòng)物中則為PI或1-烷基-2-;字<〈冀Y(jié)構(gòu)。脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同意味著GPI錨定蛋白的胞內(nèi)分選機(jī)制存在差異。植物通常具有數(shù)百個(gè)GPI錨定蛋白,而細(xì)胞壁形成和組裝是植物GPI錨定蛋白行使的重要功能。然而,植物中GPI修飾、尤其是脂質(zhì)重塑機(jī)制及其生物學(xué)功能仍相當(dāng)不清楚。 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周奕華研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事植物細(xì)胞壁形成機(jī)理研究。近期利用水稻脆稈突變體brittle culm 16 (bc16),鑒定到植物GPI修飾的脂質(zhì)重塑關(guān)鍵酶,解析了GPI脂質(zhì)修飾對(duì)蛋白質(zhì)膜定位及細(xì)胞壁形成的重要作用;蚩寺“l(fā)現(xiàn)BC16編碼GPI脂質(zhì)重塑中的跨膜O-;D(zhuǎn)移酶,與眾多GPI形成基因共表達(dá)。BC16定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基體,將其導(dǎo)入酵母同源基因突變體gup1能夠恢復(fù)突變菌株生長(zhǎng)受阻表型,并在很大程度上彌補(bǔ)酵母GPI錨定蛋白的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷。針對(duì)水稻GPI錨定蛋白的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)bc16突變體中飽和磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰神經(jīng)酰胺(IPC)含量大幅減少,揭示了植物GPI錨定蛋白的主要脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。BC1是已報(bào)道的調(diào)控水稻次生細(xì)胞壁形成的關(guān)鍵GPI錨定蛋白。在bc16中對(duì)BC1及多個(gè)GPI錨定蛋白開展亞細(xì)胞定位分析,證實(shí)BC16介導(dǎo)的脂質(zhì)重塑可控制BC1質(zhì)膜定位及靶向質(zhì)膜特定微區(qū),并發(fā)現(xiàn)纖維素合酶CESA4可定位于該微區(qū),為BC16調(diào)控細(xì)胞壁組裝提供了關(guān)鍵證據(jù)。原子力顯微鏡觀測(cè)和納米壓痕分析發(fā)現(xiàn),bc16中次生細(xì)胞壁纖維素納米纖絲組裝與排布與bc1相似,不正常的組裝導(dǎo)致細(xì)胞壁彈性模量改變、植株機(jī)械強(qiáng)度下降,首次從生物力學(xué)層面解釋了作物脆性表型。因此,該研究應(yīng)用多學(xué)科研究手段揭示了植物GPI修飾脂質(zhì)成熟機(jī)制,闡釋了其調(diào)控植物細(xì)胞壁力學(xué)性能和植株機(jī)械強(qiáng)度的機(jī)理,為作物支撐力性能分子設(shè)計(jì)改良提供新的理論依據(jù)。 該項(xiàng)研究成果以題為“Glycosylphosphatidylinositol anchor lipid remodeling directs proteins to the plasma membrane and governs cell wall mechanics”于8月17日在線發(fā)表于Plant Cell雜志(DOI: 10.1093/plcell/koac257)。許作鵬博士,博士研究生高易宏和高成旭為該論文的共同第一作者,張保才青年研究員(第六批會(huì)員)和周奕華研究員為共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。 
GPI脂質(zhì)重塑使GPI錨定蛋白定位于細(xì)胞膜微區(qū)并調(diào)控細(xì)胞壁形成
|