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RhoGEF和Anillin蛋白调控septin结构重塑的作用机制

已有 322 次阅读 2020-3-24 13:12 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

美国宾夕法尼亚大学医学院毕尔飞(Erfei Bi, Ph.D.)教授课题组在酵母中揭示了septin结构重塑过程的调控机制,相关研究于2020年3月19日在线发表在Current Biology课题组博士后陈曦和王康济为论文共同第一作者。


细胞分裂(celldivision)是维持个体的正常生长和发育的基础细胞生物过程。


简单来说它包括两部分:有丝分裂(mitosis)和胞质分裂(cytokinesis)。


真核细胞通过有丝分裂将其细胞核中的染色体分配到两个子核中,而细胞核分裂后伴随的胞质分裂则将细胞质、细胞器和细胞膜等细胞结构分配到子细胞中。


染色体和细胞器在由母细胞到子细胞的分配迁移主要依赖于细胞内的骨架蛋白:微管(microtubule)、微丝(microfilament, also called actin filament)、中间纤维(intermediate filament)以及septins。


Septins,是一类保守的GTP结合蛋白,这类蛋白通过形成棍状异源寡聚复合体(heterooligomericcomplexes)再聚合形成丝状结构,而其进一步可形成更加高度有序的结构,如环状(ring)、滴漏状(hourglass)以及纱布状(gauze)。


Septin在细胞中通常作为细胞支架(cellular scaffold)或者扩散阻挡层(diffusion barrier),其作用不仅仅局限于胞质分离,在细胞极性生长、细胞迁移、纤毛形成、神经元树突形态发生以及精子形成过程中它都有着关键的作用。


1971年Hartwell 通过筛选酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中影响细胞分裂的温度敏感突变株而首次发现了septin蛋白,此后酿酒酵母一直作为理想的模式生物研究septin蛋白的结构和功能。


在胞质分裂过程中,septins会由滴漏形状结构转变重塑为双环状结构(hourglasses-to-doublering transition,简称HDR)。


这一过程会触发肌动蛋白的收缩,进而促使细胞分裂的完成。然而这一由滴漏形状结构到双环状结构的重塑机制在各物种中均缺乏深入的研究。


宾夕法尼亚大学医学院毕尔飞教授课题组利用转盘共聚焦显微镜(Spinning diskconfocal microscopy)、瞬时超高分辨率成像系统(Instantaneoussuper-resolution imaging system,VT-iSIM)、铂金反射电镜(Platinum replica electronmicroscopy)结合免疫金标记技术(Immunogoldlabeling)在酵母中揭示了septin结构重塑过程的调控机制,相关研究于2020年3月在线发表在Current Biology。


该研究通过铂金反射电镜获得到细胞内septins由滴漏形态转化重塑为双环形态的超微结构。


在细胞内首次揭示,成对丝状septin(paired septin filaments)形成的滴漏形结构,先形成过渡滴漏形septin结构(此过渡结构由中间向两侧依次分为两个区域:中间区域<the middlezone>是由成对丝状septin组成,外层区域<the outer zones>则是由成对丝状和单丝状<single septinfilaments>两类septin共同形成的纱布状结构),最终中间区域的septin解聚,通过再聚合,在原有过渡滴漏形septin的外层区域形成成熟的双环结构。


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由此可见,在septin的结构重塑过程中,其过渡结构外层区域的稳定性是septin双环形成的基础。


毕教授提出 “spatial cues” 的猜想,即存在着某类蛋白或某几类蛋白在过渡滴漏形septin中稳定外层区域的纱布状结构,从而保障双环的正确形成。


研究发现,酵母中的RhoGEF (Rho family guanine nucleotide exchange factor) 蛋白Bud3,和anillin-like蛋白Bud4在细胞周期S/G2期开始定位于septin滴漏结构的外层区域,至septin完成HDR结构重塑,与septin双环共定位(co-localization)在酵母细胞子母细胞之间的细胞分裂点。

  

进一步研究,通过BUD3和BUD4的敲除,以及分别对两类蛋白不同结构域进行基因组定点敲除,都导致septin双环结构不同程度的缺陷。


由此研究得出结论:在septin重塑过程中,Bud3稳定septin外层区域中的单丝状结构,而Bud4则加强纱布状结构中成对丝状和单丝状septin之间的相互作用。


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此研究以酵母为模型首次揭示septin由滴漏形结构到双环状结构的重塑过程中存在“双分区”的过渡滴漏形结构,同时首次发现RhoGEF 蛋白Bud3和anillin-like蛋白Bud4作为“spatial cues”在septin重塑过程的关键作用。


该研究为理解septins在细胞分裂中的重要作用提供了一种新的参考和依据,并为进一步认识RhoGEF和Anillin蛋白的功能提供了新的研究基础。


论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.02.023




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