拟南芥AtFH14与微丝及微管骨架的相互作用机制

The actin and microtubule cytoskeletal systems are well organized dynamic systems in eukaryotic cells and have crucial functions in many cellular processes. Many proteins are involved in the regulation of actin and microtubule dynamics, such as formins. Our lab found that AtFH14 decorates preprophase bands, spindles, and phragmoplasts to regulate cell division, probably through interacting with actin and microtubule cytoskeletons. However, how AtFH14 coordinate actin and microtubule networks to participate in cell division still remains an open question. In this project, the mechanism of AtFH14 in the control of actin and microtubule dynamics will be studied both in vivo and in vitro. The following aspects will be considered: 1) the mechanism how does AtFH14 coordinate actin and microtubule networks in preprophase bands, spindles, and phragmoplasts to regulate cell division, 2) the question whether AtFH14 interacts with actin and microtubule networks to participate in cell growth in interphase cells, 3) the roles of PTEN, FH1 and FH2 domains in the subcellular localization and function of AtFH14 in living cells, 4) the mechanism of crosslinking actin and microtubule cytoskeletons by AtFH14. This project implementation will promote the progress of functional studies on plant formins and the interactions between actin and microfilament cytoskeletons.

微丝和微管骨架通过高度的动态变化参与许多重要的细胞活动，而其动态变化受多种细胞骨架结合蛋白调节。本实验室前期工作表明AtFH14定位于细胞分裂期的早前期带、纺锤体和成膜体上，可能通过与微丝和微管骨架互作参与细胞分裂。然而，AtFH14如何对纺锤体等上述位置的微丝及微管动态进行调节而影响细胞分裂，以及AtFH14各结构域在其定位和功能中的作用都不清楚。本项目针对这些问题，从细胞内和体外生化两个角度，研究AtFH14对微丝和微管骨架动态的调节机制。解决如下问题：1）AtFH14如何调节纺锤体等位置的微丝及微管组装而影响细胞分裂；2）AtFH14在细胞分裂间期是否也可以对微丝及微管动态进行调节从而参与细胞生长；3）AtFH14各结构域在其细胞中的定位与功能中的作用；4）AtFH14交联微丝和微管的分子机制。本项目的实施对推动植物formin蛋白功能及微丝微管相互作用机制的研究进展具有重要意义。

微丝和微管骨架是共同组成了植物细胞的两类骨架系统，直接参与调控植物细胞有丝分裂过程等。研究表明AtFH14是一类定位在细胞分裂期的早前期带、纺锤体和成膜体上，同时交联微丝和微管的蛋白质。然而，AtFH14如何对纺锤体等上述位置的微丝及微管动态进行调节而影响细胞分裂，以及AtFH14各结构域在其定位和功能中的作用都不清楚。本申请项目拟针对这些问题，从细胞内和体外生化两个角度，研究AtFH14对微丝和微管骨架动态的调节机制。解决如下问题：1）AtFH14如何调节纺锤体等位置的微丝及微管组装而影响细胞分裂；2）AtFH14在细胞分裂间期是否也可以对微丝及微管动态进行调节从而参与细胞生长；3）AtFH14各结构域在其细胞中的定位与功能中的作用；4）AtFH14交联微丝和微管的分子机制。通过本项目的实施，确定了AtFH14结构序列的完整性是其在细胞内发挥功能所必须的，缺失N端或功能结构域之后，蛋白的亚细胞定位不变，但是会严重影响细胞的正常生长发育过程。细胞骨架药理学实验结果表明微丝和微管同时存在时，AtFH14(FH1FH2)优先结合微管。结合微管的AtFH14(FH1FH2)不能起始微丝的形成，也不能结合微丝的正端，但能结合微丝的侧面并将微管附近的短微丝招募到微管上形成微丝-微管束，在空间上距离微管比较远的微丝正端如果聚合延伸到微管附近，也会被微管上的AtFH14(FH1FH2)结合从而形成微丝微管的交叉连接状。虽然微丝和微管可以发生随机的相互接触，但在AtFH14(FH1FH2)存在时，短的微丝沿着结合AtFH14(FH1FH2)的微管滑动时会被“抓住”，从微管或微管束上脱落的几率很小。有些微丝沿着微管束延伸一段距离后，正端会离开微管束继续延伸，形成微管和微丝交叉连接的现象，这说明没有足够的AtFH14(FH1FH2)将新延伸出的微丝结合到微管束上。另外，微丝沿着微管的延伸没有固定的方向。上述研究结果推进了人们对植物AtFH14蛋白通过交联微丝和微管参与植物细胞分裂中调控作用机制的认识。