Plant Cell | 生长素运输载体PIN蛋白的运输和极性调控新机制

细胞极性是所有多细胞生物的基本特征，在细胞水平上主要表现为蛋白质等组分的不对称或局部化分布。在植物中，细胞间的生长素定向流动（极性运输：生长素从形态学上端向下端的运输）对植物形态发生和适应性至关重要。这种极性的生长素运输主要依赖于生长素运输载体PIN（PIN-FORMED）蛋白。研究表明，PINs在不同的生命过程中具有不同的亚细胞定位，并且与各种内源信号的响应密切相关，因此，PIN是研究细胞极性产生、维持和重排机制的关键【1】。

PIN蛋白的磷酸化状态与其极性定位紧密相关。研究表明，Ser/Thr蛋白激酶PINOID（PID）可以直接使PINs磷酸化并导致PIN1定位于细胞的顶端侧。而位于质膜上的PP2A蛋白磷酸酶可以通过拮抗PID调节PINs的极性定位【2】。此外，囊泡运输与PIN极性也密切相关，PINs在质膜和小泡运输途径产生的内体的极性结构域之间经历组成型循环，从而可以响应不同的信号快速重定向生长素流动。研究表明，ADP核糖基化因子（ARF）及其激活因子ARF GEFs（ARF guanine nucleotide exchange factor）是囊泡形成和运输的重要组成部分，其中拟南芥中的GNOM已经被报道在细胞底部的PIN极性中起主要作用，并且GNOM活性的抑制或者突变会导致定位于基底侧的PIN移至细胞的顶侧【3,4】。尽管ARF GEFs已经被证明是PINs运输的关键组分，但是其调控PINs极性的调控机制尚不清楚。

近日，来自奥地利Institute of Science and Technology Austria (IST Austria)的Jií Friml课题组在ThePlant Cell在线发表了一篇题为Arabidopsis Flippases Cooperate with ARF GTPase Exchange Factors to Regulate the Trafficking and Polarity of PIN Auxin Transporters的研究论文，在拟南芥中进一步揭示了PINs极性特征调控的分子机制。

Jií Friml等之前的研究【5】已经通过拟南芥PIN2:PIN1-HA;pin2株系（在根分生组织表皮中异位表达带有HA（血凝素）标记的PIN1）对PIN极性调节因子进行了正向遗传筛选，并证明了该筛选系统的可行性。该研究通过诱变PIN2:PIN1-HA;pin2株系，对PIN极性调节因子进行了进一步筛选，鉴定到了了regulator of PIN polarity 12（repp12）突变体，该突变体恢复了根系向重力性生长（root gravitropic growth）的表型，并导致PIN1-HA极性从根表皮细胞的基底向顶端转移，这表明repp12是PIN极性调节因子的突变体。

repp12突变体中编码磷脂翻转酶的ALA3（AMINOPHOSPHOLIPID ATPASE3）基因缺失。ALA3的表达会导致根系的无向重力性生长（agravitropic root growth）的恢复和PIN1-HA的细胞底部定位，而ala3基因突变则导致根系的向重力性生长和PIN1-HA的顶端化。该研究还表明ALA3的突变生长素的不对称分布以及和质膜、高尔基体反面网状结构和高尔基体有关的囊泡运输受到破坏。

通过拟南芥ALA突变体的分析进一步表明ALA蛋白在调节植物发育以及PIN运输和极性中的关键作用并且它们之间会发生功能冗余。此外，该研究发现ALA3与ARF GEF 蛋白BIG3和GNOM具有遗传和物理相互作用，并且它们共同调节PIN极性和运输。

ala3 mutants exhibit auxin-related developmental defects

总之，该研究表明ALA3及相关的翻转酶是ARF GEF调控PIN极性，运输和生长素介导的发育中起重要作用的相互作用和调节因子。

参考文献

【1】Adamowski, M. and Friml, J. (2015). PIN-Dependent Auxin Transport: Action, Regulation, and Evolution. Plant Cell 27: 20–32.

【2】Dai, M. et al. (2012). A PP6-Type Phosphatase Holoenzyme Directly Regulates PIN Phosphorylation and Auxin Efflux in Arabidopsis. Plant Cell 24: 2497–2514

【3】Kleine-Vehn, J., Dhonukshe, P., Sauer, M., Brewer, P.B., Winiewska, J., Paciorek, T., Benková, E., and Friml, J. (2008a). ARF GEF-Dependent Transcytosis and Polar Delivery of PIN Auxin Carriers in Arabidopsis. Curr. Biol. 18: 526–531.

【4】Narasimhan, M., Johnson, A., Prizak, R., Kaufmann, W.A., Tan, S., Casillas-Pérez, B., and Friml, J. (2020). Evolutionary unique mechanistic framework of clathrin-mediated endocytosis in plants. Elife 9: e52067

【5】Feraru, E., Feraru, M.I., Kleine-Vehn, J., Martinière, A., Mouille, G., Vanneste, S., Vernhettes, S., Runions, J., and Friml, J. (2011). PIN polarity maintenance by the cell wall in Arabidopsis. Curr. Biol. 21: 338–343.

http://www.plantcell.org/content/early/2020/03/19/tpc.19.00869