粘性蛋白质有助于植物了解何时以及在何处生长

根据温度，植物可以合成激素生长素。根据存在的病原体，植物可以合成生长素。取决于可用的营养素，水，压力源或发育线索：生长素。

当植物生长时弯向光线，调节这种运动的基础化学物质?

生长素。

根据具体情况，这种激素的存在可能是将DNA转录成齿轮，促进生长和发育的信号，或者它可以阻止转录的发生。

由圣路易斯华盛顿大学艺术与科学学院成员和McKelvey工程学院组成的跨学科团队最近发现了一种机制，根据同一激素的存在，植物可以通过多种方式受到影响。

该研究于8月14日发表在“ 分子细胞 ”杂志上。

“你可以得到任何暗示，”首席研究员Lucia Strader说，他是艺术与科学生物学副教授，生命系统科学与工程中心副主任。“光，温度，不同的营养成分......植物使生长素响应所有这些东西。” 由于生长素释放的结果也可以变化，从对叶发育的应激反应到根系结构的变化。

这些反应都是生长素反应因子(ARFs)的结果，这些蛋白质与细胞核中的DNA结合，以促进单一或另一种方式的生长和发育。

Strader实验室正在调查的问题是：ARF如何在正确的时间，正确的时间做正确的事情，同时防止不恰当的反应?

答案始于对ARF基本性质的最新理解。

它们总是存在于植物中，但ARF通常无能为力，因为它们受Aux / IAA阻遏蛋白的束缚，使ARF保持无活性，直到生长素化学解偶联它们。对ARF结构的新理解使人们对它们的连接方式有了新的认识。

该变化集中于PB1结构域，位于ARF蛋白质的另一端，来自DNA结合结构域(其中ARF，一旦进入细胞核，将在转录过程中与DNA结合)。

与成对配对阻遏蛋白或ARF蛋白相反，“ARF PB1结构域就像微型条形磁铁，具有正侧和负侧，两端自由与其他蛋白配对，”Strader说。“他们有可能成长为长链。”

细胞质中的异常值

事实证明，ARF PB1域链形成起着意想不到的作用。

在研究ARF时，该实验室的研究生Samantha Powers负责将23种拟南芥ARF中的一种标记为其研究的一部分。她回来的形象很不寻常。它们不是在植物细胞的细胞核中发现ARF，而是出现在细胞质中，细胞质是围绕细胞核的凝胶状物质。“这很奇怪，”斯特拉德说。

通过研究文献显示ARF在植物细胞中的位置，研究小组找到了一个。只有一个。它看起来与Powers在她的研究中看到的大不相同：ARF大部分位于它们“应该”的位置，在细胞核中，在细胞质中有几个异常值。

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YFP-ARF19在根部上部的细胞中的实时视频。图片来源：Lucia Strader

事实证明，权力一直在研究植物成熟根中的ARFs，而他们发现的这项研究已经研究了分生组织的根尖，即年轻细胞分裂的区域。

“植物作为一种发展模式的美妙之处在于，在一个人身上，在一个时间点，你的每一个发展阶段都存在，”斯特拉德说。最年轻的细胞位于根系的起始处，由于植物细胞不移动，它们只是向上分开，相互叠加; 细胞越老越远，它们离尖端越远。

因此，Powers的发现是一个线索：在较年轻的细胞中，ARF位于细胞核中，转录mRNA，但在较老的细胞中，它们被卡在细胞质中，没有做任何事情。在中间区域，有一个混合。

Strader在生物物理学研讨会上讨论了这些发现，之后Alex Holehouse获得了博士学位。在McKelvey工程学院的Edwin H. Murty工程教授Rohit Pappu实验室工作的学生向她提出了一个具体的建议。

“他说，'当你发表演讲时，我下载了所有23个ARF的序列并进行了分析。我有你的数据，'”Strader说。

Holehouse目前是Pappu实验室的博士后研究员，计划于2020年初在生物化学与分子生物物理系开设自己的实验室。他提出Powers和Strader在细胞质中看到的ARF实际上是蛋白质冷凝物驱动的部分地由ARF蛋白的“固有无序区域”，位于DNA结合和PB1结构域之间的区域。

Holehouse假设ARF蛋白质从分散状态转变为凝聚状态，在细胞质中积累; 类似于水分子凝结形成液滴的方式。

“常规智慧说蛋白质必须采用特定的三维形状来识别它们的分子目标; IDR的不同之处在于它们是形状变换器，”Pappu说。“它们可以根据它们的背景采用不同的形状，这些特征使它们成为冷凝物的理想驱动因素，只要它们具有必要的粘性区域。

“亚历克斯分析了这些序列并发现了非常清晰的成分区别，”帕普说。

特定ARF的IDR(固有无序区域)具有易于粘附于自身的分子的所有特征。再加上ARF通过PB1结构域连接并形成重复结构或寡聚化的能力，较老细胞中的ARF浓缩成组装体，确保它们仍然粘在细胞质中。

当ARF卡在细胞质中时，它们不能启动DNA转录。“就这么简单，”帕普说。

斯特雷德说：“我们认为这是一种保持这种途径不会在某种细胞类型中活跃而不会完全关闭的方式。”

植物作为模型系统

在霍尔豪斯的侦探工作的指导下，鲍尔斯继续改变某些ARF，以便他们都能进入核心。他们发现，只要ARF能够进入细胞核以结合DNA，当存在生长素时，无论细胞类型如何，都会发生转录。

“这真的令人兴奋，因为我们已经证明在细胞质中形成冷凝物是一种减弱生长素的方法，”Strader说。“当存在组成型核的ARF变体时，每个细胞对生长素都有反应，而无反应的细胞在其细胞质中隔离ARF。” 组成型核变体能够激活所有细胞类型中的基因。

“工程师经常尝试设计生物材料，这些生物材料可以在细胞内形成贮库，从而控制在仓库中被捆绑的材料的释放，”Pappu说。“令人着迷的是ARF蛋白质定位的控制水平，通过细胞质贮库，冷凝物，通过老年细胞中的粘性IDRs来制造。由具有粘性IDR的分子组成的贮库制造装置可以告诉老年人更年轻的细胞。能够复制这种分子控制以使活性物质成为生物工程师的梦想。“

Strader和Pappu实验室之间的持续合作关注于将植物作为模型系统，以研究与神经变性相关的分子和细胞过程。

这是因为这项研究显示蛋白质浓缩具有强烈的，积极的生物学作用，Strader指出，这与阿尔茨海默氏症，肌萎缩侧索硬化症和其他朊病毒相关疾病通常有关。

对于植物而言，这项研究说明了凝聚是一种机制，可以通过在某些情况下将转录因子保留在细胞核之外来阻止它们转录基因，确保生长素在正确的时间，正确的地方做正确的事。

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