植物細胞發動蛋白相關蛋白家族的結構與機制研究

《植物細胞發動蛋白相關蛋白家族的結構與機制研究》是依託清華大學，由婁智勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：植物細胞發動蛋白相關蛋白家族的結構與機制研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：婁智勇
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

發動蛋白（Dynamin）及發動蛋白相關蛋白（dynamin-related protein， DRP）在是一類重要的GTPase，對細胞的內吞、器官分化、物質運輸起著關鍵的作用。目前植物細胞中共發現6種DRP，由於植物細胞獨特的組成和生理周期，植物DRP也具有特殊的功能。DRP3-6負責線粒體和葉綠體的合成和功能維持；DRP2A主要參與到從高爾基體到液泡等的囊泡運輸；植物細胞特異的DRP1家族共五個成員，通過與蛋白和脂類等相互作用，調控植物表型、細胞壁形成、細胞擴張和內吞運輸等過程。除此以外，DRP家族蛋白還與植物對病原入侵、類囊體形態、線粒體的合成與信號傳導等過程密切相關。為了深入認識DRP在植物細胞生理過程中的詳細機制，本研究主要針對植物DRP1/DRP2等家族各個成員，解析它們與底物、蛋白和脂類等複合物的晶體結構，深入揭示和闡明DRP家族蛋白在內吞和細胞分化過程中具體功能機制。

結題摘要

發動蛋白（dynamin）在是一類重要的與生物機械化學相關的GTPase。在真核生物、細菌中，發動蛋白及發動蛋白相關蛋白參與到內吞、器官分化、細胞形態形成等核心的生命過程，對於細胞的分化、細胞內物質的運輸起到關鍵的作用。植物細胞的形態和生理周期與哺乳動物細胞、細菌等具有較大區別，存在細胞擴張（cell expansion）、分化面（division plane）和細胞板（cell plate）的形成、以及細胞壁（cell wall）形成等獨特的過程。由於DRP家族蛋白在細胞形態等重要生理過程中的重要功能，其在植物細胞的內吞等物質運輸、器官分化、細胞形態，特別是植物細胞特異的生命活動中的功能和分子機製成為目前國際分子植物學領域研究的一個熱點和前沿問題。 為了深入認識DRP在植物細胞生理過程中的詳細機制，本研究主要針對植物DRP1/DRP2等家族各個成員，集中圍繞植物細胞DRP家族蛋白的結構和功能開展研究，解析它們與底物、蛋白和脂類等複合物的晶體結構，闡明DRP蛋白與GTP水解相關的構象變化（GTPase二體）及組裝（全長蛋白）的分子機制，為研究DRP蛋白在植物細胞的器官分化、內吞、細胞形態方面的功能和作用機理提供堅實的結構生物學基礎。 在項目的資助下，我們成功的解析了AtDrp1A在不同底物結合狀態下的三維精細結構。由於發動蛋白家族是依靠GTP水解提供能力，完成自身構象的變化，並導致生理功能的實現，因此了解發動蛋白成員在不同狀態（GTP水解、GDP結合等狀態）下，構象的變化，對於闡明其發揮功能的分子機制，具有關鍵的作用。根據這兩個不同狀態下的結構，我們提出了一種發動蛋白家族，通過GTP水解提供能量，完成膜融合的機制，這也是第一次從三維結構上發現了發動蛋白家族構象改變，導致生理功能的實現。該工作發表在Journal of Molecular Cell Biology上，與我們的工作同期發表的2篇Nature、1篇Cell和1篇PNAS文章，也發現了類似的結果，進一步驗證了我們的理論。除此以外，在項目的支持下，還發表其他SCI研究論文6篇，圓滿完成了項目的預定目標。