PNAS:找到生长素作用的玄机

2014-3-26 11:59 来源: 生物通
收藏到BLOG

  报道:植物的叶片形状千变万化,有披针形、矛形、肾形、菱形、箭头形、卵形、圆形、勺形、心形、泪珠形、镰刀形等等。这些形状的生成取决于植物生长素的分配,而生长素决定着植物细胞分裂和伸长的速度。

  为何一个简单的分子能够塑造如此复杂多变的形状呢?因为生长素能与大量控制基因表达的蛋白相互作用,施加自己的影响。近年来,人们发现了越来越多这样的蛋白,生长素的信号传导机制也越发复杂起来。

  现在,华盛顿大学的研究团队对生长素信号网络中的蛋白进行研究,找到了理解整个网络的关键所在。这项研究于三月二十四日发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志上。

  研究人员解析了一个关键转录因子的晶体结构。他们发现,该蛋白的互作区域折叠起来,形成分别带正负电荷的两面,就像一个磁铁。这样的结构区域允许蛋白相互吸引,形成长链或寡聚物。文章的资深作者,助理教授Lucia Strader指出,通过这些链的长度变化,植物可以精密调节不同细胞对生长素的应答,产生细微的结构差异。(推荐阅读:Nature特刊:X射线晶体衍射百年纪)

  塑造叶片形状只是植物生长素多种作用中的一个,其他还包括帮助植物向光源弯曲、根系向下生长、枝条向上生长、和果实发育等等。“吲哚3乙酸(IAA)是最强力的植物生长素,几乎涉及了植物生活史的方方面面,”Strader说。

  在生长素及其影响的基因之间,涉及了大量的蛋白。研究人员指出,这些蛋白组合在每个细胞中都不同,整个系统相当复杂。为了进一步理解这一系统,文章的第一作者David A. Korasick获得了转录因子ARF7的晶体结构,该蛋白可帮助拟南芥向光源弯曲。

  据介绍,此前的抑制子-转录因子互作模型已经建立了15年之久。人们一致认为抑制子平躺在转录因子上,抑制子的两个结构域分别与转录因子的两个结构域配对。而Korasick建立的结构模型显示,ARF7的两个结构域折叠在一起,形成像磁铁一样的互作区域。他们将这个拥有正电和负电两面的互作区域称为PB1结构域。据介绍,真菌、动物和植物都具有这样的结构域。

  研究人员指出,同样拥有PB1结构域的抑制蛋白,可以与这种转录因子结合。研究显示,转录因子PB1结构域的两面必须各结合一个转录因子,才能够抑制生长素对它的影响。

  这就意味着,抑制蛋白与转录因子此前的一对一模型是错误的,Strader 说。“这样的相互作用不只局限在两个蛋白之间,可能涉及了数百个蛋白。”

  例如,在Korasick的晶体结构中,五个ARF7的PB1结构域相互连接,形成了一个五聚体。“我把PB1结构域看成是磁铁,”Strader说。“它们能够前后颠倒着相连,形成长链。”

  研究人员指出,随着植物的进化,生长素的信号传导系统变得越来越复杂。举例来说,与复杂的大豆相比,简单苔藓的信号传导蛋白就少得多。这说明生长素信号传导对植物相当重要,Korasick说。

  “植物和动物的差异在于,”Strader说。“植物具有坚硬的细胞壁。当植物细胞决定分裂或伸长时,将是一个永久性的决定,因此需要极为严密的控制。”