微丝骨架和活性氧在调节气孔运动中的作用及机制

气孔运动调节植物的光合作用和蒸腾作用,对植物的生长发育和干旱等非生物胁迫的响应都起到重要的作用。保卫细胞能够通过感知胞内和胞外多种信号调节气孔开度,因此,保卫细胞已经成为植物细胞信号转导研究中广泛应用的细胞模型。该文对保卫细胞中微丝骨架和活性氧对气孔运动的调节作用、微丝骨架在调节细胞壁与质膜间联系中的作用进行了综述,最后分析了微丝骨架通过ROS(reactive oxygen species)调节保卫细胞壁–质膜联系参与气孔运动调控的可能机制。     

保卫细胞中的微丝骨架

微丝骨架存在于多种植物的保卫细胞中,周质微丝骨架的排列和结构是动态的。越来越多的证据表明保卫细胞中的微丝骨架可作为信号调节物,对气孔的启闭运动起着重要的调控作用。本文综述了保卫细胞微丝骨架的标记方法、结构,以及其在气孔运动中的功能和作用机制的最新研究进展。     

保卫细胞中的微丝骨架

微丝骨架存在于多种植物的保卫细胞中,周质微丝骨架的排列和结构是动态的。越来越多的证据表明保卫细胞中的微丝骨架可作为信号调节物,对气孔的启闭运动起着重要的调控作用。本文综述了保卫细胞微丝骨架的标记方法、结构,以及其在气孔运动中的功能和作用机制的最新研究进展。     

植物微丝骨架动态变化的调节

由球形肌动蛋白聚合而成的微丝骨架,又称肌动蛋白纤维,它在细胞运动、细胞形态建成以及物质运输等诸多生命活动中发挥重要作用。细胞内微丝的解聚和聚合动态特性是微丝骨架行使功能的重要基础,并受到如微丝结合蛋白、金属离子、小G蛋白等各种因素的严格控制。植物细胞微丝骨架的研究虽然晚于动物细胞,但也取得了飞速发展。本文对植物细胞内微丝骨架动态变化的作用机制及一些主要调节因子的最新研究进展做一介绍。     

微丝骨架在植物细胞信号转导中的作用

文章从小G蛋白、离子浓度和肌醇磷脂信号系统等方面阐述植物细胞微丝骨架与细胞信号转导的关系.     

蚕豆水孔蛋白可能参与微丝骨架对气孔运动的调节

水孔蛋白的抑制剂HgCl2可明显抑制壳梭孢菌素（FC）和微丝骨架的解聚剂细胞松弛素D（CD）对蚕豆保卫细胞原生质体膨胀的诱导作用,而对微丝骨架的稳定剂鬼笔环肽（phalloidin）的抑制作用影响不明显。这表明水孔蛋白可能介导了FC和微丝骨架对气孔运动的调节。     

沉默黏着斑激酶促进人胃癌SGC-7901细胞骨架蛋白解聚及细胞形态损伤

目的探讨黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)在胃癌细胞骨架结构及形态结构维持中的作用。方法利用靶向FAK的siRNA质粒,转染胃癌SGC-7901细胞,用罗丹明标记的鬼笔环肽及β-tubulin特异性抗体检测细胞骨架微丝及微管蛋白表达;考马斯亮蓝染液对细胞进行染色,观察细胞整体形态结构;环境扫描电子显微镜观察细胞表面结构。结果沉默FAK引起细胞质、细胞伪足及微绒毛等运动相关结构中F-actin解聚。随着沉默时间增长,围绕着细胞核,在细胞质中呈放射状的微管骨架发生解聚,且这种解聚现象呈时间依赖性。FAK沉默还使细胞由梭形、多边形变为圆形,发生脱壁;细胞微绒毛及伪足结构受损,细胞表面趋于光滑。结论 FAK对维持胃癌细胞微丝、微管的分布及癌细胞伪足、微绒毛等恶性形态学特征具有重要作用。     

绿色荧光蛋白基因结合鼠Talin基因蛋白标记转基因水稻活体生殖细胞及精细胞的微丝骨架

利用绿色荧光蛋白(GFP)基因结合鼠Talin基因表达技术及水稻(Oryza sativa L.)转基因技术,筛选出表达稳定和具等位基因型的第三代转基因水稻.在其活体花粉的4个发育阶段(Ⅰ.小孢子晚期;Ⅱ.二细胞早期;Ⅲ.二细胞晚期;Ⅳ.三细胞阶段),观察了细胞内微丝骨架的分布和结构形态的变化.发现在这4个花粉发育阶段,花粉内的营养核、生殖核、生殖细胞和精细胞都在不同的发育阶段出现位移.而这些位移与微丝骨架的结构变化和运动有密切关系.在胞质中央的微丝网络以及细胞周质的网络不断变化和互动,导致营养核、生殖核或生殖细胞和精细胞的定向位移.在活体生殖细胞和精细胞内,存有一股与细胞纵轴平行排列的微丝骨架.这些微丝骨架对生殖细胞及精细胞可以提供移动的动力,这对生殖细胞或精细胞在花管内以及胚囊内的运动(包括独自游动)提供了依据.     

绿色荧光蛋白基因结合鼠Talin基因蛋白标记转基因水稻活体生殖细胞及精细胞的微丝骨架

利用绿色荧光蛋白(GFP)基因结合鼠Talin基因表达技术及水稻(Oryza sativa L.)转基因技术,筛选出表达稳定和具等位基因型的第三代转基因水稻。在其活体花粉的4个发育阶段(Ⅰ．小孢子晚期;Ⅱ．二细胞早期;Ⅲ．二细胞晚期;Ⅳ．三细胞阶段),观察了细胞内微丝骨架的分布和结构形态的变化。发现在这4个花粉发育阶段,花粉内的营养核、生殖核、生殖细胞和精细胞都在不同的发育阶段出现位移。而这些位移与微丝骨架的结构变化和运动有密切关系。在胞质中央的微丝网络以及细胞周质的网络不断变化和互动,导致营养核、生殖核或生殖细胞和精细胞的定向位移。在活体生殖细胞和精细胞内,存有一股与细胞纵轴平行排列的微丝骨架。这些微丝骨架对生殖细胞及精细胞可以提供移动的动力,这对生殖细胞或精细胞在花管内以及胚囊内的运动(包括独自游动)提供了依据。     

植物微丝骨架的研究进展

微丝骨架是细胞骨架的重要组成部分,在各种细胞活动中都发挥着重要作用。微丝骨架的主要组成部分是肌动蛋白和肌动蛋白结合蛋白,参与细胞形态建成、物质运输和信号转导等生命活动。通过鬼笔环肽标记或表达荧光融合蛋白等方法,国内外许多学者对植物微丝骨架的组成、功能等进行了大量的研究,并取得了一些成果。基于前人的研究,本研究从组成、功能及研究方法三个方面对植物微丝骨架的进行概述。     

模拟微重力效应通过微丝骨架调控成骨细胞BMP2-Smad信号

细胞微丝骨架在力信号传导和基因表达调控中起重要作用。为了研究微丝骨架在模拟微重力效应调控成骨细胞BMP2-Smad信号中的作用,作者通过构建反映Smad活性的报告基因载体转染MC3T3-E1细胞,并通过报告基因活性分析、Western blot等方法检测了微丝骨架解聚剂和回转模拟微重力效应对BMP2诱导Samd磷酸化、核质分布和转录活性的作用。结果显示,构建的报告基因载体在成骨细胞中正确表达并响应BMP2;破坏微丝骨架会抑制BMP2诱导的Smad1/5/8蛋白磷酸化、入核及转录活性;回转抑制Smad1/5/8磷酸化、入核及其转录活性,而微丝骨架稳定剂可对抗回转的抑制作用。因此,认为回转模拟微重力效应可通过解聚微丝骨架抑制BMP2-Smad信号传导。     

Sindbis病毒的蛋白质合成与细胞骨架的关系

我们以Sindbis病毒感染BHK-21细胞为模式,研究了病毒的感染与细胞骨架的关系。结果显示:在病毒感染早期,细胞的蛋白质合成迅速被抑制,细胞的多聚核糖体(polysome)和mRNA从骨架上脱落,而病毒的RNA结合到骨架上。我们的结果还进一步表明,病毒的RNA是通过其3′-尾端与骨架结合的。另一方面在对Sindbis病毒非结构蛋白在体内与体外合成与加工的比较中,我们发现病毒蛋白在体外翻译加工的速度远低于体内,并且出现很多未成熟蛋白(premature protein),这种区别可能在某种程度上反应细胞骨架在蛋白质合成与加工中的作用。此外,在用秋水仙素和细胞松驰素B破坏微管和微丝后,病毒非结构蛋白的合成与加工没有明显变化,而结构蛋白的合成则受到明显的抑制。这表明病毒的两类蛋白的合成所依赖的细胞骨架成分可能有所不同,在结构蛋白合成过程中,微丝和微管起了重要作用,在非结构蛋白合成过程中,中间丝很可能起了重要作用。     

C-cadherin控制非洲爪蛙早期胚胎中微丝骨架的合成

上皮细胞间形成的Adherensjunctions复合物通过E—cadherin胞质区段,经由catenin家族蛋白介导,与细胞中微丝骨架系统（micrOfilament）相互作用,参与控制细胞极性、迁移,发育中的形态建成运动以及组织稳态维持等重要生命现象。多方面实验证据表明,cadherin复合物与微丝骨架系统的相互作用是高度动态的;作者前期的工作发现,在非洲爪蛙早期胚胎中,经典cadherin（C-cadherin）在细胞膜上的表达量决定细胞中微丝骨架合成总量。该研究进一步提供实验证据,表明随着囊胚期细胞增殖的进行,囊胚中期以后,细胞表面c—cadherin逐步富集,相应地细胞中微丝骨架的合成量也增加。我们还通过细胞解聚,C-cadherin敲降和过量表达,以及c-cadherin与F-actin共定位分析等实验验证在囊胚期外胚层细胞中,细胞膜C—cadherin表达量与细胞微丝骨架的合成量高度正相关。     

GFP-mTn融合蛋白对蓝猪耳生活细胞微丝骨架的标记

用农杆菌介导法将嵌合基因GFP-mTn(mTn是微丝结合蛋白Talin的微丝结合域,可以显示活体细胞中微丝的结构)导入蓝猪耳。经激光共聚焦显微镜观察了转基因植株的各种不同组织中融合蛋白的表达和分布情况。在叶片的表皮细胞、保卫细胞、根部的皮层细胞中有融合蛋白的不同程度表达。但仅在保卫细胞中微丝标记状况良好,显示基因表达的组织特异性。经光诱导处于开放态的气孔的保卫细胞微丝呈网状结构,在细胞内无规则分布;经黑暗诱导处于关闭态的气孔保卫细胞中微丝束沿保卫细胞纵轴排列,呈卷曲状分布,并观察到螺旋和环状的微丝结构。在转基因植株的其他部位,例如茎表皮细胞、根毛细胞和花粉粒中,未检测到目的基因的表达。本研究获得的转基因植株为研究气孔运动过程中微丝动态变化提供了有用的材料。     

微丝骨架调控植物特有生理活动的研究进展

微丝骨架参与了真核生物诸多重要的生理活动。真核生物的肌动蛋白均演化自同一祖先基因,在生化特性和调控机制上存在一定的相似性。动物和植物各自特异的生理活动和器官组成,动物和植物细胞中微丝骨架的存在形式、微丝结合蛋白种类及微丝动态调控机制等方面存在一定的差异。该文基于植物特有的生命活动和生理过程,重点归纳和概述了植物微丝骨架在部分植物特异生理活动中的作用机理的研究进展。     

GFP-mTn融合蛋白对蓝猪耳生活细胞微丝骨架的标记

用农杆菌介导法将嵌合基因GFP-mTn(mTn是微丝结合蛋白Talin的微丝结合域,可以显示活体细胞中微丝的结构)导入蓝猪耳.经激光共聚焦显微镜观察了转基因植株的各种不同组织中融合蛋白的表达和分布情况.在叶片的表皮细胞、保卫细胞、根部的皮层细胞中有融合蛋白的不同程度表达.但仅在保卫细胞中微丝标记状况良好,显示基因表达的组织特异性.经光诱导处于开放态的气孔的保卫细胞微丝呈网状结构,在细胞内无规则分布;经黑暗诱导处于关闭态的气孔保卫细胞中微丝束沿保卫细胞纵轴排列,呈卷曲状分布,并观察到螺旋和环状的微丝结构.在转基因植株的其他部位,例如茎表皮细胞、根毛细胞和花粉粒中,未检测到目的基因的表达.本研究获得的转基因植株为研究气孔运动过程中微丝动态变化提供了有用的材料.     

增强UV-B辐射对小麦叶肉细胞原生质体微丝骨架的影响

以增强UV-B（10.08 kJ/m2.d）辐射后的小麦幼苗叶肉细胞原生质体为材料,异硫氰酸荧光素标记的鬼笔环肽（FITC-Ph）为探针,利用激光共聚焦扫描显微镜,观察分析小麦叶肉细胞原生质体中微丝骨架的分布及形态变化。结果表明对照组中,叶肉细胞原生质体微丝呈现网状或平行状随机排列,形态上表现为纤维状结构。增强UV-B辐射处理后,原生质体中微丝的密集分布遭到破坏,纤丝状微丝消失,聚集成束,或呈点状、碎片状分布。     

烟草微丝结合蛋白Fimbrin-ABD1结构域的表达及纯化

微丝骨架在细胞生命活动中发挥着重要作用,微丝结合蛋白通过调控微丝骨架达到调节细胞生理过程的作用,Fimbrin是重要的微丝结合蛋白,目前对其调控机制还不清楚.以烟草Fimbrin基因为模板,首先通过PCR技术获得了其肌动蛋白结合域(actin-binding domain,ABD1)基因,随后构建了蛋白表达载体pET28a-Fimbrin-ABD1,经IPTG诱导获得了Fimbrin-ABD1包涵体,通过摸索包涵体复性的条件得到了有活性Fimbrin-ABD1结构域,并对其功能进行了初步研究,为进一步探讨其作用机制奠定了基础.     

植物细胞中的前纤维蛋白

肌动蛋白组成的微丝骨架是真核细胞中的重要结构,在体内处于高度动态变化之中,受多种肌动蛋白结合蛋白（actin-binding proteins）的调节。前纤维蛋白（profilin）是一种单体肌动蛋白结合蛋白,存在于所有的真核细胞中,在植物细胞中也得到较多的研究。前纤维蛋白除可以结合单体肌动蛋白之外,还可以与磷脂酰肌醇及富含多聚脯氨酸的蛋白质等多种分子结合,在细胞信号转导中行使着重要的功能。本文结合本实验室的研究结果,概述了前纤维蛋白的最新研究进展。     

绿色荧光蛋白基因结合鼠Talin基因蛋白标记转基因水稻未成熟花粉的微丝骨架

利用绿色荧光蛋白基因结合鼠Talin基因表达技术及水稻转基因技术,在未成熟花粉发育期（即生殖细胞在形成后从靠壁部位移向中央部位的阶段）的水稻（Oryza sativa L.)内发现了一系列前人未曾报道过的微丝骨架的形成和多变过程。在这一发育阶段,未成熟花粉内的生殖细胞呈圆形,中央部位存有一个大液泡,大量微丝在细胞的中央胞质内形成。微丝首先在营养核的核膜表面形成两个集结中心,中心内的微丝呈短粗状。尔后,中心微丝不断瞎长,最终在细胞中央的胞质内形成一个非常 类似多个纺锤体结合在一起的网络结构。这一网络的中间部位经常包围着营养核和生殖细胞,网络的部分微丝则与存在周缘细胞质（或称周质）的微丝网络形成连接,在连接点部位则形成一些由微丝环状组成的结构。未成熟花粉中央的微丝网络可能与营养核和生殖细胞在未成熟花粉内的运动有密切关系。