Nature Plants｜名古屋大学揭示ARK在小立碗藓中介导微管依赖性转运的分子机制

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者SCI Shi

2023年5月4日，Nature Plants在线发表了日本名古屋大学Gohta Goshima团队题为“Armadillo repeat-containing kinesin represents the versatile plus-end-directed transporter in Physcomitrella”的研究论文。该研究发现了小立碗藓中的多功能顺行转运蛋白ARK，它可介导细胞核、叶绿体、线粒体和分泌囊泡的顺行运动，可通过RopGEF3的顶端定位来促进细胞的极性生长；揭示了植物细胞中微管依赖性转运的分子机制。

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01397-x

驱动蛋白1（kinesin-1），也称为常规驱动蛋白，广泛参与了动物细胞中各种货物沿微管正末端的定向运输（顺行）。长期以来，人们一直认为植物的细胞内运输主要是由肌球蛋白（myosin）和肌动蛋白（actin）驱动的。植物中也存在微管依赖性运动，KCH、KCBP和ATK等参与了这个过程。然而，植物细胞内转运模型中的顺行转运蛋白，仍然缺失；植物基因组也并不编码与kinesin-1旁系同源的蛋白质。

该团队前期发现，在RNA干扰苔藓原丝体（moss protonemata）中四个ARK基因中的两个后，细胞核无法正确定位。利用CRISPR–Cas9，该研究在小立碗藓（Physcomitrella patens）中构建了一系列突变体，包括ARKabc和ARKabcd；并发现ARK是丝状体和假根生长、配子体发育所必需的，具有冗余性（Figure 1）。

Figure 1. ARK功能缺失可引起严重生长阻碍

进一步研究显示，苔藓原丝体中的细胞核错位与ARK的功能丧失有关，叶绿体的双向运动是由KCBP（逆行）和ARK（顺行）共同驱动的；同时，ARK参与了线粒体的正端定向转运。这些结果表明，ARK介导了丝状体细胞中多个细胞器的运输（Figure 2）

Figure 2. ARK可介导多个细胞器的运输

此外，ARK也参与了分泌囊泡的顺行运动。与已知的细胞内运输货物大小-速度关系一致，该研究证实ARK可作为多个细胞器的细胞内运输工具。进一步研究显示，尾部缺失的ARK的表达无法恢复突变体中细胞器的分布；表明ARK通过其尾部区域与其货物相互作用（Figure 3）。

Figure 3. ARK通过其尾部区域介导细胞核的正确定位

ARK功能缺失的另一个突出宏观表型是细胞顶端生长的抑制；该研究发现，这一缺陷是由于肌动蛋白调节器（包括RopGEF）的错误定位引起的，RopGEF3的表达和顶端定位可部分回复ARK突变体的生长抑制（Figure 4）。此外，拟南芥中的ARK同系物也可部分回复突变体的生长表型；表明植物中的ARK功能具有保守性。

Figure 4. ARK是RopGEF顶端定位所必需的

总而言之，该研究发现了植物细胞中的顺行转运蛋白ARK，并揭示了ARK介导的微管依赖性转运机制：ARK和驱动蛋白（KCH 和 KCBP）分别将细胞核和叶绿体等巨型细胞器运送到微管的正端和负端；ARK还参与分泌性囊泡的运输，这些囊泡可能被传递到细胞顶端的肌球蛋白XI以进行胞吐作用；细胞顶端生长所需的蛋白质和细胞壁材料也是ARK的候选货物，ARK的功能丧失会严重抑制极性细胞的生长（Figure 5）。

Figure 5. 小立碗藓丝状体细胞中的微管依赖性转运模型

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01397-x

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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