植物細(xì)胞極性的信號調(diào)控

1、植物細(xì)胞極性的信號調(diào)控傅纓植物生理學(xué)與生物化學(xué)國家重點實驗室1植物是由形形色色的細(xì)胞組成2科學(xué)問題 什么是細(xì)胞極性？ 細(xì)胞極性的重要性是什么？ 細(xì)胞極性是如何產(chǎn)生的？ 細(xì)胞極性是怎樣被調(diào)控的？3什么是細(xì)胞極性？ 從廣義上來說，是細(xì)胞內(nèi)存在的不對稱性。4 細(xì)胞極性是細(xì)胞正常行使功能的基礎(chǔ)。細(xì)胞極性的重要性5合子原胚 多種形式的細(xì)胞極性是植物發(fā)育、生長和形態(tài)建成的基礎(chǔ)，貫穿生命周期的每個階段。有極性的細(xì)胞分裂（polarized cell division ）或不對稱分裂（asymmetric division ）卵細(xì)胞有極性的細(xì)胞擴(kuò)張（polarized cell expansion ）蛋白、細(xì)

2、胞器等在細(xì)胞內(nèi)的極性定位6有極性的細(xì)胞分裂（polarized cell division ）或不對稱分裂（asymmetric division ）有極性的細(xì)胞擴(kuò)張（polarized cell expansion ）蛋白、細(xì)胞器等在細(xì)胞內(nèi)的極性定位7有極性的細(xì)胞分裂（polarized cell division ）或不對稱分裂（asymmetric division ）有極性的細(xì)胞擴(kuò)張（polarized cell expansion ）蛋白、細(xì)胞器等在細(xì)胞內(nèi)的極性定位8細(xì)胞極性的形成極性信號極性的建立、維持9頂端生長的細(xì)胞極性擴(kuò)張生長細(xì)胞極性的調(diào)控機制植物中研究細(xì)胞極性調(diào)控的模式系統(tǒng)P

3、ollen tube10植物中研究細(xì)胞極性調(diào)控的模式系統(tǒng)卵細(xì)胞合子原胚保衛(wèi)細(xì)胞的分化細(xì)胞內(nèi)分子的極性發(fā)布極性分裂（不對稱分裂）11真核生物調(diào)控細(xì)胞極性的通用機理？！極性信號Rho GTPase極性的建立、維持細(xì)胞骨架動態(tài)囊泡運輸12真核生物中重要的信號分子小G蛋白小G蛋白：Small guanine nucleotide-binding proteins或Small GTPases單體分子分子量較?。?0 30 kDa）具有鳥核苷酸的結(jié)合位點有GTP酶活性功能受鳥核苷酸調(diào)節(jié)分子開關(guān)13RASSuper family真核生物中重要的信號分子小G蛋白RASRHORAB/YPTARFRAN真菌與動物

4、植物（擬南芥）Subfamilies of RHO GTPaseZheng & Yang. 2000. Plant Mol Biol. 44:1-9ROP: Rho like GTPase of Plants14效應(yīng)子PiGAPROP-GTP開GEF GDP-ROP關(guān)GDP-ROPGDI信號GeneexpressionVesicularCytoskeletalorganizationGDI: guanine nucleotide dissociation inhibitorGEF: guanine nucleotide exchange factorGAP: GTPase-activating

5、 proteinStressresponsesHormoneresponsesPolarityestablishmenttraffickingPolar growth分子開關(guān)（molecular switch）15DN (Dominant Negative) mutantGDP-ROP關(guān)負(fù)顯性突變體CA (Constitutively Active) mutantROP-GTP開組成激活型突變體研究ROP功能的好工具16ROP調(diào)控花粉管的頂端生長WTROP1CA-rop1DN-rop117ROP調(diào)控根毛的頂端生長500umWT500umDN-rop2200umCA-rop218ROP調(diào)控細(xì)胞的

6、極性擴(kuò)張生長WTCA-rop2DN-rop219DN-rop2WTCA-rop2ROP調(diào)控合子的極性建立20ROP的極性定位決定細(xì)胞的極性GFP-RIC4C標(biāo)記有活性的ROP1Hwang2005MBC-FigS3.movHwang et al., 2005Molecular Biology of the Cell 16, 5385539921ROP的極性定位決定細(xì)胞的極性Hwang et al., 2005Molecular Biology of the Cell 16, 53855399Hwang2005MBC-FigS5.movHwang2005MBC-FigS3.mov22囊泡運輸（ve

7、sicular trafficking）胞吐（Exocytosis）胞吞（Endocytosis）植物細(xì)胞通過胞吐將生長所需質(zhì)膜和細(xì)胞壁合成原料運送到特定部位，細(xì)胞極性生長。Cole and Fowler, 200623YFP-RabA4d標(biāo)記的囊泡GFP-RLK（在質(zhì)膜上定位）ROP調(diào)控細(xì)胞的胞吐作用Lee et al., J. Cell Biol. 2008 Vol. 181 No. 7 11551168熒光漂白恢復(fù)法（FRAP）24對照（qrt1）Sec5Sec6Exocyst復(fù)合體成員極性發(fā)布于花粉管頂端胞吐復(fù)合體成員被突變后，花粉管的極性和頂端生長受到抑制Hala et al., T

8、he Plant Cell, Vol. 20: 13301345, May 2008,25極性信號ROP調(diào)控細(xì)胞的胞吐作用ICR1是與ROP直接結(jié)合的效應(yīng)子，ICR1同Exocyst復(fù)合體成員SEC3結(jié)合，調(diào)控細(xì)胞形狀。Rho GTPase細(xì)胞骨架動態(tài)囊泡運輸YN-ICR1 YC-AtSEC3極性的建立、維持Bimolecular fluorescencecomplementation (BiFC)26囊泡運輸（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，造成根毛細(xì)胞失去極性CA-rop11Bloch et al., Molecular Biology of the CellVol. 16, 19131927, April 2005FM4-64ROP調(diào)控細(xì)胞的胞吞作用胞吐作用對于根毛細(xì)胞維持極性是必要的，過量表達(dá)組28效應(yīng)子Exocyst極性化胞吐作用胞吞作用效應(yīng)子?極性生長調(diào)控細(xì)胞極性生長的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑極性信號Active ROP CapRho GTPase細(xì)胞骨架動態(tài)囊泡運輸極性的建立、維持29from: Alberts et al. 1

10、994 MBOC微管：Microtubules (MTs)微絲：Microfilaments (MFs) or F-actin細(xì)胞骨架對細(xì)胞的極性和形狀至關(guān)重要The cytoskeleton, a complex network of polymers30通常，干擾細(xì)胞內(nèi)微管的動態(tài)造成細(xì)胞的擴(kuò)張失去方向性（極性），形成膨大的細(xì)胞。而干擾細(xì)胞內(nèi)微絲的動態(tài)，影響細(xì)胞的生長擴(kuò)張，所以形成較小的細(xì)胞。31植物細(xì)胞中的微絲GFP-ABD232花粉萌發(fā)過程中微絲骨架的變化植物細(xì)胞中的微絲33Phil. Trans. R. Soc. Lond. B (2002) 357 , 815 821Rachel J

11、. Carol and Liam Dolan34頂端生長的模式系統(tǒng)花粉管研究實例一35F-actin in growing pollen tube花粉管頂端具有高度動態(tài)變化著的微細(xì)微絲Fu et al.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103236WTROP1OEROP調(diào)控細(xì)胞中促進(jìn)極性生長的微細(xì)微絲的動態(tài)變化Fu et al.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103237WTROP1OEROP1OE+LatB保持微細(xì)微絲的動態(tài)變化至關(guān)重要！Fu et a

12、l.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019103238花粉管中調(diào)控微細(xì)微絲動態(tài)變化的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑ROP效應(yīng)子？微絲動態(tài)極性生長RIC4+LatBGu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 12713839ROP效應(yīng)子？微絲動態(tài)極性生長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花粉管中調(diào)控微細(xì)微絲動態(tài)變化的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Active ROP CapRIC4微細(xì)微絲極性化胞吐作用極性生長RIC3Ca 2+聚合微細(xì)微絲解聚VesicletargetingVesiclefusion43通常，干擾細(xì)胞內(nèi)微管的動態(tài)造成細(xì)胞的擴(kuò)張失去方向性（極性），形成膨大的細(xì)胞。而干擾細(xì)胞內(nèi)微絲的動態(tài)，影響細(xì)胞的生長擴(kuò)張，所以形成較小的細(xì)胞。44from: Alberts et al. 1994 MBOC微管：Microtubules (M

14、Ts)微絲：Microfilaments (MFs) or F-actin細(xì)胞骨架對細(xì)胞的極性和形狀至關(guān)重要The cytoskeleton, a complex network of polymers45GFP-MAP4標(biāo)記的微管GFP-tubulin標(biāo)記的微管植物細(xì)胞中的周質(zhì)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擬南芥根毛細(xì)胞植物細(xì)胞中的周質(zhì)微管47植物細(xì)胞中的周質(zhì)微管引導(dǎo)初生壁中微纖絲按一定方向沉積48植物細(xì)胞壁中的微纖絲的排列方向49微纖絲排列方向與細(xì)胞生長的相關(guān)性50研究實例二極性擴(kuò)張生長的模式系統(tǒng)葉片表皮細(xì)胞生長受抑制的細(xì)胞凹陷區(qū)進(jìn)行極性生長的細(xì)胞凸起區(qū)Fu et al., Plant Cell, 2002Fu et al., Cell, 2005Fu et al., Current Biology, 200951WTCA-rop2DN-rop252GFP-tubulin野生型細(xì)胞中微管的排列53CA-rop2DN-rop2ROP突變體細(xì)胞中微管的排列GFP-tubuli

16、n54ROP的效應(yīng)子RIC1是一個微管結(jié)合蛋白55WTRIC1OE過量表達(dá)RIC1導(dǎo)致更多的平行有序微管形成，抑制細(xì)胞的擴(kuò)張56DN-rop2RIC1OERIC1OE細(xì)胞與DN-rop2細(xì)胞中微管排列相似57CArop2抑制RIC1與微管結(jié)合58CA-rop2DN-rop2微細(xì)微絲集中分布在凸起區(qū),促進(jìn)該區(qū)生長ROP2促進(jìn)微細(xì)微絲形成59在葉片表皮細(xì)胞中ROP2也是通過RIC4促進(jìn)微細(xì)微絲的形成，而RIC1則抑制這一過程60葉片表皮細(xì)胞中調(diào)控細(xì)胞骨架的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑極性信號Rho GTPase極性的建立、維持細(xì)胞骨架動態(tài)囊泡運輸61WTrop6-1ric1-1ROP6或RIC1功能缺失使周

17、質(zhì)微管無序排列62WTRIC1OEanti-tubulinlabeling cortical MTsGFP-tubulin labelingcortical MTs過表達(dá)ROP6或RIC1促進(jìn)周質(zhì)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.兩條不同的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)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)兩條不同的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控葉片表皮細(xì)胞極性生長65極性擴(kuò)張生長的模式系統(tǒng)葉片表皮毛研究實例三66Taxol微絲微管微絲與微管在表皮毛的形態(tài)建成過程中起重要作用Mathur, TRENDS in Plant Science Vol.9 No.12 200467Arp2/3復(fù)合體成員突變體WAVE復(fù)合體成員突變體Arp2/3復(fù)合體與WAVE復(fù)合體調(diào)控表皮毛中的微絲骨架Szymanski et al., Current Opinion in Plant Biology 2005, 8:10311268 Arp2/3復(fù)合體：Arp是指肌動蛋白相關(guān)蛋白（actin relatedproteins），是一大類對微絲功能有重要調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)，常形成復(fù)合體形式。Arp2/3