内质网-质膜连接点：膜与细胞骨架的复杂交汇 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第五期专栏文章，由中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员、中国科学院青促会优秀会员 李红菊，就Current Biology 中的论文发表述评。

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真核生物的细胞内包含多种细胞器结构，它们各司其职，不仅维持着细胞的生存，对细胞的信号转导、形态维持、细胞间的信息交流，乃至生命个体的发育及对外界环境的适应等都必不可少。近年来，越来越多的研究发现，不同细胞器间存在密切的直接相互作用，在脂类运输、信号传递等诸多方面发挥着关键作用。因此，发现并阐明细胞器间互作机制及其功能，对系统地了解细胞生命活动至关重要。

内质网除了负责蛋白质加工，脂类代谢外，还与诸多细胞器形成一个庞大的细胞器互作网络，与高尔基体、叶绿体、线粒体、内吞小体、质膜等都有着直接的相互作用，并通过膜连接点（Membrane Contact Sites）连接。其中，以内质网-质膜连接点（ER-PM Contact Site, EPCS）最具有代表性。这个互作机制在真核细胞中普遍存在，并扮演着重要的角色。在上世纪80年代，利用透射电镜揭示了植物内质网与质膜的相互作用，其典型特征为：内质网膜与质膜之间的距离小于10 nm，但不互相融合，且连接处无核糖体标记。但很长时间以来，对该结构的形成机制、分子构成及其功能的认识都非常有限。

植物中对EPCS的分子调控的认识始于近几年。华中农业大学王鹏蔚教授团队及其合作者的前期研究发现位于植物细胞内质网膜上的VAP27蛋白与位于细胞质膜上的微丝结合蛋白NET3C互作，组成蛋白质复合体。而VAP27也可以通过一些横跨细胞质膜的蛋白，间接与细胞壁相连。VAP27作为EPCS的核心，定位于内质网与内质网-质膜相互连接的点状结构上，并与微管、微丝紧密结合。抑制或过量表达EPCS蛋白复合体成员，会直接影响根毛发育、细胞极性、自噬体形成等重要过程。

最近，该团队在此基础上又将对EPCS结构与细胞骨架互作的分子机制的认识推进了一步。研究人员发现了一个高等植物特有的蛋白复合体VAP27-IQD-NET-KLCR，其包含有植物特有的微丝结合蛋白NETWORKED protein (NET3C)、微管结合蛋白IQ67-Domain protein (IQD)和微管马达蛋白Kinesin-light Chain Related protein (KLCR) 。此复合体可以同时与微丝-微管互作，并与内质网-质膜-细胞壁连续体结合，形成了一个横跨细胞内外的细胞骨架调控中枢，对细胞骨架与内质网结构的维持，细胞形态的建立都起到了至关重要的用。此研究对植物细胞骨架动态调控与细胞形态建立的机制有了更深入的解析，揭示了内质网与细胞骨架在结构和功能上，存在着相互调控的机制。该文章于2月15日在线发表在Currrent Biology上。

首先，研究人员通过酵母双杂交技术发现了NET3C的互作蛋白KLCR，并发现KLCR在烟草中于EPCS上的定位依赖于NET3C。进一步，活体荧光实验结果显示KLCR与微管密切相关，并且发现KLCR1与微管结合蛋白IQD直接相互作用。活体荧光实验发现，NET3C-KLCR1-IQD2复合体介导了EPCS结构上内质网、微丝和微管三者的互作。遗传学实验显示，NET3C-KLCR1-IQD2复合体的缺失会影响细胞骨架和内质网及EPCS的结构，最终影响植物细胞的膨大和叶片铺板细胞的形态。

▲图1 VAP27-IQD-NET-KLCR复合体在内质网-质膜连接点（EPCS）的作用模式图

此外，IQD作为高等植物中特有的微管结合蛋白，可以与钙调蛋白结合，很有可能响应上游钙信号，且其功能与植物器官形态建成十分密切。IQD基因非常保守，在番茄、黄瓜、水稻等作物中直接影响果实或种子的形态，调控重要的园艺/农艺性状。因此，通过研究内质网-质膜互作复合体的分子构成与时空表达模式，对了解植物细胞与重要器官的形态建立有着重要科学意义与潜在的应用价值。

论文摘要

植物细胞中，周边内质网与质膜之间通过由蛋白和细胞骨架维持的内质网（ER）-质膜连接点(EPCS)相接触。EPCS和细胞骨架被发现有密切接触，但此处的细胞骨架如何被维持和调控，仍然不清楚。本论文中，作者利用酵母双杂交筛选和体内互作手段鉴定了两个微管结合蛋白KLCR1和IQD2。这两个蛋白都与微丝结合蛋白NET3C互作，并作为EPCS的组分介导微丝和微管之间的连接。该NET3C-KLCR1-IQD2模块直接影响ER形态和EPCS结构。当其功能缺失时，叶片铺板细胞的形态因细胞骨架组织变化而发生异常。这些结果揭示了一种新的细胞骨架相关的复合体，其对EPCS区的细胞骨架的维持、内质网形态以及植物细胞的形态建成具有重要的作用。

In plants, the cortical endoplasmic reticulum (ER) network is connected to the plasma membrane (PM) through the ER-PM contact sites (EPCSs), whose structures are maintained by EPCS resident proteins and the cytoskeleton. Strong co-alignment between EPCSs and the cytoskeleton is observed in plants, but little is known of how the cytoskeleton is maintained and regulated at the EPCS. Here, we have used a yeast-two-hybrid screen and subsequent in vivo interaction studies in plants by fluorescence resonance energy transfer (FRET)-fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) analysis to identify two microtubule binding proteins, KLCR1 (kinesin-light-chain-related protein 1) and IQD2 (IQ67-domain 2), that interact with the actin binding protein NET3C and form a component of plant EPCS that mediates the link between the actin and microtubule networks. The NET3C-KLCR1-IQD2 module, acting as an actin-microtubule bridging complex, has a direct influence on ER morphology and EPCS structure. Their loss-of-function mutants, net3a/NET3C RNAi, klcr1, or iqd2, exhibit defects in pavement cell morphology, which we suggest is linked to the disorganization of both actin filaments and microtubules. In conclusion, our results reveal a novel cytoskeletal-associated complex, which is essential for the maintenance and organization of cytoskeletal structure and ER morphology at the EPCS and for normal plant cell morphogenesis.

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述评人简介

李红菊

中国科学院青促会优秀会员

中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员

[e-mail]

中国科学院遗传与发育生物学研究所青年研究员。主要从事植物生殖和发育生物学研究，重点关注细胞信号转导，细胞生物学及转录调控。在Nature、Nature Plants、PNAS、Plant Cell等国际期刊发表论文20余篇。获国家自然科学基金委“优秀青年基金”资助，入选中组部“万人计划”青年拔尖人才，入选中科院青年创新促进会优秀会员。

Hong-Ju Li is a young Investigator in Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences (CAS). Her research now is mainly focusing on the molecular regulation of plant reproduction and development. Her work have been published on Nature，Nature Plants，PNAS，Plant Cell. The foundation supports he received are from Youth Innovation Promotion Association CAS, National Natural Science Foundation of China.

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致谢：本文撰写过程得到该论文通讯作者华中农业大学王鹏蔚教授的帮助。

相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Current Biology上，

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