植物细胞极性的信号调控

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,Pollen tube,10,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,13,RAS,Super family,真核生物中重要的信号分子小,G,蛋白,RAS,RHO,RAB/YPT,ARF,RAN,真菌与动物,植物（拟南芥）,Subfamilies of RHO GTPase,Zheng & Yang. 2000. Plant Mol Biol. 44:1-9,ROP:,R,h,o,like GTPase of,P,lants,14,效应子,Pi,GAP,ROP-GTP,开,GEF GDP-ROP,关,GDP-ROP,GDI,信号,Gene,expression,Vesicular,Cytoskeletal,organization,GDI: guanine nucleotide dissociation inhibitor,GEF: guanine nucleotide exchange factor,GAP: GTPase-activating protein,Stress,responses,Hormone,responses,Polarity,establishment,trafficking,Polar growth,分子开关（,molecular switch,）,15,DN,(,D,ominant,N,egative) mutant,GDP-ROP,关,负显性突变体,CA,(,C,onstitutively,A,ctive) mutant,ROP-GTP,开,组成激活,型突变体,研究ROP功能,的好工具,16,ROP,调控花粉管的顶端生长,WT,ROP1,CA-rop1,DN-rop1,17,ROP,调控根毛的顶端生长,500um,WT,500um,DN-rop2,200um,CA-rop2,18,ROP,调控细胞的极性扩张生长,WT,CA-rop2,DN-rop2,19,DN-rop2,WT,CA-rop2,ROP,调控合子的极性建立,20,ROP,的极性定位决定细胞的极性,GFP-RIC4C标记有活性的ROP1,Hwang2005MBC-FigS3.mov,Hwang et al., 2005,Molecular Biology of the Cell 16, 53855399,21,ROP,的极性定位决定细胞的极性,Hwang et al., 2005,Molecular Biology of the Cell 16, 53855399,Hwang2005MBC-FigS5.mov,Hwang2005MBC-FigS3.mov,22,囊泡运输,（,vesicular 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, 2006,23,YFP-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,）,Sec5,Sec6,Exocyst,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., The 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 fluorescence,complementation (BiFC),26,囊泡运输,（,vesicular trafficking,）,胞吐,（,Exocytosis,）,胞吞,（,Endocytosis,）,Fluorescentlymodified phospholipid,bis-BODIPY FL C11-PC, treated,pollen tube,27,WT,成激活型ROP抑制胞吐,作,用，造成根毛细胞失去极性,CA-rop11,Bloch et al., Molecular Biology of the Cell,Vol. 16, 19131927, April 2005,FM4-64,ROP,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 Cap,Rho GTPase,细胞骨架动态,囊泡运输,极性的建立、维持,29,from: Alberts et al. 1994 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 polymers,30,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-ABD2,32,花粉萌发过程中微丝骨架的变化,植物细胞中的微丝,33,Phil. Trans. R. Soc. Lond.,B (2002),357, 815,821,Rachel J. Carol and Liam Dolan,34,顶端生长的模式系统花粉管,研究实例一,35,F-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, 10191032,36,WT,ROP1OE,ROP,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, 10191032,37,WT,ROP1OE,ROP1OE+LatB,保持微细微丝的动态变化至关重要！,Fu et al.,The Journal of Cell Biology, 2001, Volume 152, 1019,1032,38,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+LatB,Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 127138,39,ROP,效应子？,微丝动态,极性生长,Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 127138,40,Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 127138,41,Gu et al.,The Journal of Cell Biology, 2005, Vol. 169, 127138,42,花粉管中调控微细微丝动态变化的,ROP,信号转导途径,Active ROP Cap,RIC4,微细微丝,极性化胞吐,作用,极性生长,RIC3,Ca,2+,聚合,微细微丝,解聚,Vesicle,targeting,Vesicle,fusion,43,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。,44,from: Alberts et al. 1994 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 polymers,45,GFP-MAP4标记的微管,GFP-tubulin标记的微管,植物细胞中的周质微管,46,Jaideep Mathur and Nam-Hai Chua,Plant,Cell Vol. 12, 465-478, 2000,Bjrn J. Sieberer, Tijs Ketelaar, John J.,Esseling and Anne Mie C. Emons,New Phytol. 2005 Sep;167(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, 2002,Fu et al., Cell, 2005,Fu et al., Current Biology, 2009,51,WT,CA-rop2,DN-rop2,52,GFP-tubulin,野生型细胞中微管的排列,53,CA-rop2,DN-rop2,ROP,突变体细胞中微管的排列,GFP-tubulin,54,ROP的效应子RIC1是一个微管结合,蛋白,55,WT,RIC1OE,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,56,DN-rop2,RIC1OE,RIC1OE,细胞与,DN-rop2,细胞,中微管排列相,似,57,CA,rop2,抑制RIC1与微管结合,58,CA-rop2,DN-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,61,WT,rop6-1,ric1-1,ROP6,或,RIC1,功能缺失使,周质微管无序排列,62,WT,RIC1OE,anti-,-tubulin,labeling cortical MTs,GFP-tubulin labeling,cortical MTs,过表达,ROP6,或,RIC1,促进周质微管的有,序化,63,Ratio of fluorescent intensity,(neck region/lobe region),GFP-ROP2,GFP-ROP6,ROP6 preferentially localized,to indenting neck regions of,cells, whereas ROP2 prefers,the lobe tip.,两条不同的,ROP,信号转导是相互拮抗,共同作用的,64,Inter-digitizing pavement cells,Spatial Cues (?),Localized ROP2,activation,RIC4,Fine F-actin,Localize cell,expansion,(lobes),Spatial Cues (?),Localized ROP6,activation,RIC1,Transverse MTs,Localized growth,inhibition,(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,研究实例三,66,Taxol,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 2004,67,Arp2/3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, 8:103112,68, Arp2/3复合体：Arp是指肌动,蛋白相关蛋白（actin related,proteins），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是其中对Actin有重要的,成核、分枝,和形成网络功能的,蛋白复合体。,WAVE复合体对Arp2/3复合体起调控作用,69,WT,CA-rop2,DN-rop2,70,WT,spk1,SPK1,是,ROP GEF,GDP-ROP,GTP-ROP,ROPGEF,71,WAVE,复合体,成员突变体,还有证据显示，,SPK1,与,WAVE,复合体成员结合,Basu et al., PNAS, 2008 vol. 105 , 40444049,72,ROP,SPK1,ROP2,WAVE,Arp2/3,微丝,胞吐作用,极性生长,叶,片,表,皮,毛,中,调,控,微,丝,骨,架,的,信,号,转,导,途,径,73,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,74,