中国科学院杨维才团队揭示植物细胞分裂过程中膜形态变化调控机制

细胞内膜系统的动态重塑构成生命活动的关键平台。近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所杨维才团队在《Nature Communications》上在线发表相关研究论文。该团队借助经典模式植物拟南芥,首次阐明植物细胞如何通过脂双分子层的不对称性和不同磷脂分子在脂双分子层之间的偶联,精准调控膜曲率与形态重塑;并揭示磷脂酰肌醇磷酸在胞质分裂期间驱动细胞板结构转变的分子机制,从而确保子代细胞得以完整分离。

研究发现,由肌醇磷酸合酶(MIPS)敲除引起的磷脂酰肌醇磷酸含量降低会造成拟南芥根长显著变短，细胞多倍化,细胞分裂不完全。利用透射电子显微镜和旋转盘式共聚焦显微镜观察显示，突变体的细胞板呈现不连续泡状，细胞板厚度显著增加，细胞分裂时间显著延长，新形成的细胞板在向四周延展过程中内部膜结构的不稳定造成了细胞板孔洞和不完全分裂。通过EMS诱变技术构建突变体库筛选抑制子，研究者发现敲除翻转酶(ALA1)能回补mips突变体胞质分裂的表型。利用荧光标记脂质，研究者确认ALA1翻转的底物是PS,进一步结合 PI4P 抑制剂 PAO 处理,证实了 PI4P能抑制ALA1翻转PS 的活性。超高分辨率荧光共聚焦显微观察发现，在野生型的细胞板形态建成过渡区,PS呈不连续分布，但mips突变体中,PS分布连续且含量显著增加，暗示磷脂酰肌醇磷酸能抑制细胞板胞质侧PS的积累。翻转酶能将脂双分子层的胞外侧磷脂运向胞内侧，造成内层脂分子数量增多,从而引起胞质侧膜曲度的升高。无论是mips 突变体还是PAO 处理,都能引起细胞板胞质侧曲度升高，形成突起或者增厚,而且不只是细胞板,还能引起细胞膜在胞质侧曲度的显著增加，形成内陷和大的内吞泡。利用生物层析干涉技术(BLI)，研究者证实ALA1 能结合PI4P，从而得出细胞板PI4P通过抑制ALA1对PS 的翻转，降低细胞板曲度，从而实现细胞板发育过程中扁平化形态的转变。

为标记细胞板，研究者在向mips突变体转化荧光标记蛋白 DRP1A-GFP 中发现,过表达DRP1A能部分回补突变体胞质分裂的表型。超高分辨率荧光共聚焦显微镜观察显示,野生型细胞板上 DRP1A呈现微区聚集,形成收缩环结构,而突变体中聚集微区数量变少，收缩环变大。结合 BLI和 PI(4,5)P2 诱导性抑制体系实验结果，研究者提出细胞板上的PI(4,5)P2能通过结合 DRP1A,驱动细胞板膜结构的收缩，调控细胞板发育过程中形态的转变。

综上所述，该研究发现细胞板PI4P 通过抑制翻转酶ALA1 来调控PS 在细胞板胞质侧的含量和分布,从而降低细胞板曲度;而PI(4,5)P2能结合 DRP1A,调控后者的定位和收缩功能。这两种磷脂酰肌醇磷酸分子都参与了细胞板膜结构的重塑,确保植物胞质分裂的顺利完成。