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ABP1是基于TMK1的细胞表面信号传导的生长素受体

2022-10-20
中科新生命
2046

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植物激素生长素是植物生长发育的重要调节剂。ABP1 早在20世纪70年代初就被确定为潜在的生长素受体,ABP1可与TMK1发生相互作用,是衔接生长素和TMK途径的关键候选因子;但由于缺乏ABP1与生长素结合的证据,目前仍不清楚ABP1是否是一种生长素受体并在生长素信号转导中发挥功能。

2022年9月,奥地利科学技术学院(ISTA)Jiří Friml教授在Nature杂志上发表题目为“ABP1–TMK auxin perception for global phosphorylation and auxin canalization”的研究成果,利用磷酸化蛋白组学技术对拟南芥的根进行研究,明确了ABP1是基于TMK1的细胞表面信号传导的生长素受体,其介导了全局蛋白磷酸化反应和生长素渠化过程。

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 研究材料

拟南芥Col-0,  tmk1-1 突变体,abp1-TD1突变体的根



 技术路线

步骤1:ABP1与生长素的结合及其定位分析;

步骤2:ABP1和TMK1对全局生长素磷酸化反应及下游细胞的影响;

步骤3:ABP1和TMK1对维管再生能力的影响;

步骤4:ABP1和TMK1对生长素渠化能力的影响;

步骤5:生长素与ABP1的结合对ABP1的功能的影响。



 研究结果

1. ABP1与生长素的结合及其定位分析

研究人员使用药物亲和反应靶标稳定性(DARTS)技术、光栅耦合干涉测量(GCI)技术、微量热泳动(MST)技术,在体内和体外实验证实拟南芥ABP1能特异性结合天然生长素吲哚-3-乙酸(IAA),并且在质外体pH 5.5 时结合力最强。进一步通过透射电子显微镜(TEM)结合免疫染色,发现拟南芥ABP1主要存在于内质网中,并可分泌到质外体,支持IAA在质外体酸性pH下与ABP1的结合特性,并暗示了ABP1与质膜定位的TMKs的潜在关联。

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图1 生长素与拟南芥ABP1的结合及ABP1的定位


2. ABP1–TMK1 诱导快速生长素磷酸化反应

为进一步确认TMK1激酶对IAA的响应是否与ABP1有关,研究人员采用磷酸化蛋白组学技术分析野生型拟南芥、tmk1-1abp1-TD1突变体全局蛋白质的磷酸化情况,发现tmk1-1abp1-TD1突变体中IAA诱导的蛋白磷酸化完全被消除,并且大多数磷位点在一定程度上被过度磷酸化;而在无IAA处理条件下,tmk1-1abp1-TD1突变体中低磷酸化位点较多,从而构成TMK1激酶的潜在底物,这表明ABP1和TMK1共同介导了IAA对全局蛋白质磷酸化的快速影响。进一步研究发现, abp1-c1abp1-TD1以及tmk1中质膜H+-ATP酶活性降低,且依赖于肌球蛋白XI的细胞质流降低,表明ABP1是IAA触发激活TMK1信号途径所必需的,它们共同介导了部分IAA快速反应,即ABP1-TMK1模块可介导IAA诱导的超快全局蛋白质磷酸化

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图2 ABP1和TMK1对全局生长素磷酸化反应及下游细胞的影响


3.  ABP1-TMKs介导维管再生

肌球蛋白 XI也在生长素渠化中发挥功能,以介导受损伤后的维管系统再生。研究人员发现,受损组织维管再生的过程中会伴随着ABP1表达的上调,并且abp1-c1abp1-TD1以及tmk1(尤其是tmk4-1)突变体中的维管再生过程受损,而过表达ABP1或TMK (尤其是TMK4-1)可增强这种微管再生能力,表明ABP1和各种 TMKs对损伤后的维管系统再生所必需的。

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图3 ABP1和TMK在损伤后维管系统再生中的作用


4. ABP1-TMKs介导生长素渠化

渠化过程的一个直接表现是生长素运输通道的形成,随之而来的是局部外源生长素诱导的维管系统分化。同样,对生长素运输通道形成过程进行检测,发现野生型拟南芥运输通道形成,而abp1-c1 、 abp1-TD1 和tmk1突变体未能形成运输通道,说明ABP1和TMK在生长素运输通道的形成中具有关键作用,用于发展源自局部生长素来源的维管系统。

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图4 ABP1和TMK在生长素介导的渠化中的作用


5. 生长素与ABP1的结合对ABP1的功能至关重要

为了研究生长素与ABP1结合能力对上述功能的影响,研究人员设计了生长素结合位点突变的ABP1蛋白的突变体ABP1(M2X),发现ABP1(M2X)与IAA处理无关并且不与 IAA 结合;且异源表达和纯化的ABP1 (M2X) 在稳定性、二聚化以及蛋白质折叠等方面与野生型ABP1相似。在abp1-c1突变体中引入ABP1::GFP-ABP1(而非ABP1::GFP-ABP1M2X)可以恢复生长素渠化和维管再生,表明ABP1 结合IAA的能力决定了其信号转导功能,这同时也为ABP1作为介导IAA渠化的生长素受体提供了强有力的支持。

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图5 ABP1和生长素结合在渠化作用中的重要性



 小结

长期以来,ABP1是否是一种生长素受体饱受争议。本研究通过一系列实验证实ABP1是基于TMK1的细胞表面信号传导的生长素受体,并表明ABP1-TMK1 信号模块是生长素渠化介导的快速细胞响应和发育所必需的。该研究解决了一直以来的争论焦点,解析了IAA快速作用的分子机制,并为未来进一步研究生长素介导渠化过程及其他生物学过程的作用机制提供新思路。