促进植物生长的细胞过程产生了令人惊讶的见解

莱斯大学生物科学家的一项新研究解释了大多数生命形式常见的基本细胞结构如何协同促进植物模型的生长。这些发现可以揭示人类细胞中的相应机制。

在成熟到足以进行光合作用之前，发育中的拟南芥幼苗依赖于储存在细胞内的脂肪储备，这些脂肪储存在被称为脂滴的蛋白质涂层小袋中。这些液滴中富含能量的内容物被动员到称为过氧化物酶体的细胞内容器中。这项新研究发现，这种合作需要过氧化物酶体上的一种酶，有助于分解脂滴上的蛋白质涂层。此前已知酶MIEL1存在于细胞核中，帮助调节基因表达。

MIEL1新作用和位置的发现引发了一个问题：这些发现是否也适用于其人类对应物PIRH2。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的研究，其他实验证实PIRH2在拟南芥细胞中表达时与过氧化物酶体相关。由于PIRH2在肿瘤发展中发挥着重要作用，因此更深入地了解其细胞功能可以为癌症预防和治疗提供见解。

在人类细胞中，PIRH2有助于降解p53，这是一种控制基因组受损细胞增殖的众所周知的蛋白质。编码p53的基因被称为“基因组的守护者”，并因其肿瘤抑制作用而被广泛研究。在大多数癌症中都发现了破坏其功能的突变。

博士后研究员MelissaTraver表示：“PIRH2是研究最深入的p53调节因子之一，因此它与癌症直接相关，因为p53经常发生突变，并与许多不同器官和细胞类型的多种癌症有关。”巴特尔实验室的助理，是这项研究的主要作者。

“正因为如此，这是一个值得研究的有趣基因，”特拉弗补充道，他也是莱斯大学生物化学和细胞生物学博士项目的校友。“更多地了解它可以告诉我们关于癌症如何发生以及如何阻止它的知识。我从来没有想过我最终会在植物实验室阅读有关癌症的论文。我开始这个项目试图回答一个非常非常具体的问题关于植物的问题，找到一些可能更广泛地适用于各个系统的东西是非常令人鼓舞和有益的。”

这些发现强化了特拉弗的信念，即基础研究可以产生与基于应用的科学同样重要的影响。

“作为一名研究生，我花了很多时间捍卫基础科学并强调其必要性和内在价值，”特拉弗说。

特拉弗与莱斯大学生物科学系的拉尔夫和多萝西·鲁尼教授邦妮·巴特尔(BonnieBartel)一起研究了拟南芥萌发过程中的细胞过程。

“多年来，我们一直在研究拟南芥中的过氧化物酶体——它们是如何产生的、它们的作用以及它们为什么重要，”巴特尔说。“过氧化物酶体在发芽过程中发挥着特别重要的作用，此时植物经历显着的生长，但尚未成熟到足以进行光合作用。这意味着它必须使用母体植物储存在种子中的脂质。

“我们开始对脂滴产生兴趣，是因为这两种细胞器之间的密切联系——一种是储存脂肪的细胞器，另一种是加工脂肪的细胞器。脂滴有一层蛋白质涂层，可以防止它们彼此结合。我们感兴趣的是细胞如何摆脱这种被称为油质蛋白的蛋白质。”

为了弄清楚油质蛋白是如何分解的，特拉弗设计了一种带有荧光标记的蛋白质。

“我们是遗传学家，所以当我们想要理解某些东西时，我们喜欢打破它，”巴特尔说。“梅丽莎决定寻找不能像野生型那样降解这种油质蛋白的植物。由于油质蛋白上有荧光标签，她可以看到野生型幼苗一开始被照亮。然而，随着时间的推移，荧光逐渐消失。油质蛋白被分解，脂质被消耗。”

图中是来自MIEL1突变拟南芥种子的细胞，其中性脂质以洋红色显示，脂滴外壳蛋白以绿色显示。特拉弗和巴特尔利用遗传学和显微镜来探索脂滴和过氧化物酶体(分别储存和分解脂肪的细胞器)之间的动态协作。图片来源：MelissaTraver/莱斯大学

相反，不能分解油质蛋白的突变幼苗继续显示荧光。通过对它们的基因组进行测序并将其与野生型植物的基因组进行比较，特拉弗能够识别出负责植物分解油质蛋白的能力的基因。

Bartel说：“突变幼苗中不再起作用的基因编码MIEL1，MIEL1是一种核酶，有助于降解转录因子——调节基因表达的蛋白质。”

Traver进行了更多实验来弄清楚MIEL1是否伴随脂滴或过氧化物酶体。

Bartel说：“Melissa发现的令人意想不到的事情是，尽管MIEL1作用于脂滴，但它实际上位于过氧化物酶体上。”“脂滴和过氧化物酶体分散在整个细胞中，除非脂滴紧邻过氧化物酶体，否则你不想降解油质蛋白。我们的假设是，将这种酶置于过氧化物酶体上是确保正确生物化学的一种方法发生在需要的地方。”

该研究的结果表明，在所有真核生命形式中，过氧化物酶体和脂滴之间酶介导的相互作用可能看起来相似。

特拉弗说：“下一步要做的就是在人类细胞或其他动物模型中进行实验，看看是否有类似的机制在发挥作用。”