植物细胞极性的信号调控

1、植物细胞极性的信号调控傅缨植物生理学与生物化学国家重点实验室1植物是由形形色色的细胞组成2科学问题 什么是细胞极性？ 细胞极性的重要性是什么？ 细胞极性是如何产生的？ 细胞极性是怎样被调控的？3什么是细胞极性？ 从广义上来说，是细胞内存在的不对称性。4 细胞极性是细胞正常行使功能的基础。细胞极性的重要性5合子原胚 多种形式的细胞极性是植物发育、生长和形态建成的基础，贯穿生命周期的每个阶段。有极性的细胞分裂（polarized cell division ）或不对称分裂（asymmetric division ）卵细胞有极性的细胞扩张（polarized cell expansion ）蛋白、细

2、胞器等在细胞内的极性定位6有极性的细胞分裂（polarized cell division ）或不对称分裂（asymmetric division ）有极性的细胞扩张（polarized cell expansion ）蛋白、细胞器等在细胞内的极性定位7有极性的细胞分裂（polarized cell division ）或不对称分裂（asymmetric division ）有极性的细胞扩张（polarized cell expansion ）蛋白、细胞器等在细胞内的极性定位8细胞极性的形成极性信号极性的建立、维持9顶端生长的细胞极性扩张生长细胞极性的调控机制植物中研究细胞极性调控的模式系统P

3、ollen tube10植物中研究细胞极性调控的模式系统卵细胞合子原胚保卫细胞的分化细胞内分子的极性发布极性分裂（不对称分裂）11真核生物调控细胞极性的通用机理？！极性信号Rho GTPase极性的建立、维持细胞骨架动态囊泡运输12真核生物中重要的信号分子小G蛋白小G蛋白：Small guanine nucleotide-binding proteins或Small GTPases单体分子分子量较小（20 30 kDa）具有鸟核苷酸的结合位点有GTP酶活性功能受鸟核苷酸调节分子开关13RASSuper family真核生物中重要的信号分子小G蛋白RASRHORAB/YPTARFRAN真菌与动物

4、植物（拟南芥）Subfamilies of RHO GTPaseZheng & Yang. 2000. Plant Mol Biol. 44:1-9ROP: Rho like GTPase of Plants14效应子PiGAPROP-GTP开GEF GDP-ROP关GDP-ROPGDI信号GeneexpressionVesicularCytoskeletalorganizationGDI: guanine nucleotide dissociation inhibitorGEF: guanine nucleotide exchange factorGAP: GTPase-activating

5、 proteinStressresponsesHormoneresponsesPolarityestablishmenttraffickingPolar growth分子开关（molecular switch）15DN (Dominant Negative) mutantGDP-ROP关负显性突变体CA (Constitutively Active) mutantROP-GTP开组成激活型突变体研究ROP功能的好工具16ROP调控花粉管的顶端生长WTROP1CA-rop1DN-rop117ROP调控根毛的顶端生长500umWT500umDN-rop2200umCA-rop218ROP调控细胞的

6、极性扩张生长WTCA-rop2DN-rop219DN-rop2WTCA-rop2ROP调控合子的极性建立20ROP的极性定位决定细胞的极性GFP-RIC4C标记有活性的ROP1Hwang2005MBC-FigS3.movHwang et al., 2005Molecular Biology of the Cell 16, 5385539921ROP的极性定位决定细胞的极性Hwang et al., 2005Molecular Biology of the Cell 16, 53855399Hwang2005MBC-FigS5.movHwang2005MBC-FigS3.mov22囊泡运输（ve

7、sicular trafficking）胞吐（Exocytosis）胞吞（Endocytosis）植物细胞通过胞吐将生长所需质膜和细胞壁合成原料运送到特定部位，细胞极性生长。Cole and Fowler, 200623YFP-RabA4d标记的囊泡GFP-RLK（在质膜上定位）ROP调控细胞的胞吐作用Lee et al., J. Cell Biol. 2008 Vol. 181 No. 7 11551168荧光漂白恢复法（FRAP）24对照（qrt1）Sec5Sec6Exocyst复合体成员极性发布于花粉管顶端胞吐复合体成员被突变后，花粉管的极性和顶端生长受到抑制Hala et al., T

8、he Plant Cell, Vol. 20: 13301345, May 2008,25极性信号ROP调控细胞的胞吐作用ICR1是与ROP直接结合的效应子，ICR1同Exocyst复合体成员SEC3结合，调控细胞形状。Rho GTPase细胞骨架动态囊泡运输YN-ICR1 YC-AtSEC3极性的建立、维持Bimolecular fluorescencecomplementation (BiFC)26囊泡运输（vesicular trafficking）胞吐（Exocytosis）胞吞（Endocytosis）Fluorescentlymodified phospholipid,bis-BO

9、DIPY FL C11-PC, treatedpollen tube27WT成激活型ROP抑制胞吐作用，造成根毛细胞失去极性CA-rop11Bloch et al., Molecular Biology of the CellVol. 16, 19131927, April 2005FM4-64ROP调控细胞的胞吞作用胞吐作用对于根毛细胞维持极性是必要的，过量表达组28效应子Exocyst极性化胞吐作用胞吞作用效应子?极性生长调控细胞极性生长的信号转导途径极性信号Active ROP CapRho GTPase细胞骨架动态囊泡运输极性的建立、维持29from: Alberts et al. 1

10、994 MBOC微管：Microtubules (MTs)微丝：Microfilaments (MFs) or F-actin细胞骨架对细胞的极性和形状至关重要The cytoskeleton, a complex network of polymers30通常，干扰细胞内微管的动态造成细胞的扩张失去方向性（极性），形成膨大的细胞。而干扰细胞内微丝的动态，影响细胞的生长扩张，所以形成较小的细胞。31植物细胞中的微丝GFP-ABD232花粉萌发过程中微丝骨架的变化植物细胞中的微丝33Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (2002) 357 , 815 821Rachel J

11、. Carol and Liam Dolan34顶端生长的模式系统花粉管研究实例一35F-actin in growing pollen tube花粉管顶端具有高度动态变化着的微细微丝Fu et al.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103236WTROP1OEROP调控细胞中促进极性生长的微细微丝的动态变化Fu et al.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103237WTROP1OEROP1OE+LatB保持微细微丝的动态变化至关重要！Fu et a

12、l.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103238花粉管中调控微细微丝动态变化的ROP信号转导途径ROP效应子？微丝动态极性生长RIC4+LatBGu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 12713839ROP效应子？微丝动态极性生长Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 12713840Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 1

13、69, 12713841Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 12713842花粉管中调控微细微丝动态变化的ROP信号转导途径Active ROP CapRIC4微细微丝极性化胞吐作用极性生长RIC3Ca 2+聚合微细微丝解聚VesicletargetingVesiclefusion43通常，干扰细胞内微管的动态造成细胞的扩张失去方向性（极性），形成膨大的细胞。而干扰细胞内微丝的动态，影响细胞的生长扩张，所以形成较小的细胞。44from: Alberts et al. 1994 MBOC微管：Microtubules (M

14、Ts)微丝：Microfilaments (MFs) or F-actin细胞骨架对细胞的极性和形状至关重要The cytoskeleton, a complex network of polymers45GFP-MAP4标记的微管GFP-tubulin标记的微管植物细胞中的周质微管46Jaideep Mathur and Nam-Hai ChuaPlant Cell Vol. 12, 465-478, 2000Bjrn J. Sieberer, Tijs Ketelaar, John J.Esseling and Anne Mie C. EmonsNew Phytol. 2005 Sep;1

15、67(3):711-9拟南芥根毛细胞植物细胞中的周质微管47植物细胞中的周质微管引导初生壁中微纤丝按一定方向沉积48植物细胞壁中的微纤丝的排列方向49微纤丝排列方向与细胞生长的相关性50研究实例二极性扩张生长的模式系统叶片表皮细胞生长受抑制的细胞凹陷区进行极性生长的细胞凸起区Fu et al., Plant Cell, 2002Fu et al., Cell, 2005Fu et al., Current Biology, 200951WTCA-rop2DN-rop252GFP-tubulin野生型细胞中微管的排列53CA-rop2DN-rop2ROP突变体细胞中微管的排列GFP-tubuli

16、n54ROP的效应子RIC1是一个微管结合蛋白55WTRIC1OE过量表达RIC1导致更多的平行有序微管形成，抑制细胞的扩张56DN-rop2RIC1OERIC1OE细胞与DN-rop2细胞中微管排列相似57CArop2抑制RIC1与微管结合58CA-rop2DN-rop2微细微丝集中分布在凸起区,促进该区生长ROP2促进微细微丝形成59在叶片表皮细胞中ROP2也是通过RIC4促进微细微丝的形成，而RIC1则抑制这一过程60叶片表皮细胞中调控细胞骨架的ROP信号转导途径极性信号Rho GTPase极性的建立、维持细胞骨架动态囊泡运输61WTrop6-1ric1-1ROP6或RIC1功能缺失使周

17、质微管无序排列62WTRIC1OEanti-tubulinlabeling cortical MTsGFP-tubulin labelingcortical MTs过表达ROP6或RIC1促进周质微管的有序化63Ratio of fluorescent intensity(neck region/lobe region)GFP-ROP2GFP-ROP6ROP6 preferentially localizedto indenting neck regions ofcells, whereas ROP2 prefersthe lobe tip.两条不同的ROP信号转导是相互拮抗共同作用的64In

18、ter-digitizing pavement cellsSpatial Cues (?)Localized ROP2activationRIC4Fine F-actinLocalize cellexpansion(lobes)Spatial Cues (?)Localized ROP6activationRIC1Transverse MTsLocalized growthinhibition(necks)两条不同的ROP信号转导途径调控叶片表皮细胞极性生长65极性扩张生长的模式系统叶片表皮毛研究实例三66Taxol微丝微管微丝与微管在表皮毛的形态建成过程中起重要作用Mathur, TRENDS in Plant Science Vol.9 No.12 200467Arp2/3复合体成员突变体WAVE复合体成员突变体Arp2/3复合体与WAVE复合体调控表皮毛中的微丝骨架Szymanski et al., Current Opinion in Plant Biology 2005, 8:10311268 Arp2/3复合体：Arp是指肌动蛋白相关蛋白（actin relatedproteins），是一大类对微丝功能有重要调节功能的蛋白质，常形成复合体形式。Arp2/3