- 光遺傳學研究在植物細胞中檢測新的酸傳感器
- 來源：Science 發表于 2023/12/25
作者：Sebastian Hofmann，Julius-Maximilians-Universität Würzburg
HcKCR2 在植物細胞中起作用 A. 表達 eYFP 標記的 HcKCR2 或對照 （Ret-eYFP） 的本氏奈瑟菌原生質體的共聚焦圖像，在瞬時轉化后 48 小時捕獲。B-C.用對照構建體（B）或HcKCR2（C）轉化的本氏奈瑟菌原生質體的膜片鉗實驗中記錄的全細胞電流。將細胞保持在 -60 mV 的保持電位，并以 40 至 -60 mV 的步長進行測試，遞減 20 mV，持續 8 秒。5 s BL 脈沖 （λ = 490 nm， 5 mW/mm2）施加在每個電壓階躍上。D.對照和HcKCR2表達原生質體的I-V關系。圖片來源：科學（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696
利用光遺傳學，維爾茨堡的研究人員在植物細胞中檢測到一種新的酸傳感器，該傳感器可以解決細胞內部的鈣儲存問題。該研究發表在《科學》雜志上。
當植物被病原體感染、缺水或不得不對其他外部刺激做出反應時，它們要做的第一件事就是增加受影響細胞中的質子和鈣濃度。然后，質子和鈣離子就像信使物質一樣，在細胞中引發進一步的反應。
在這個過程中，質子和鈣離子之間的相互作用以前在很大程度上是未知的。由德國巴伐利亞州維爾茨堡朱利葉斯-馬克西米利安大學（JMU）的生物物理學家Rainer Hedrich教授領導的團隊進行的一項新研究現在為這一主題提供了新的線索。
使用復雜的光遺傳學方法，研究人員在植物細胞中發現了一種以前未知的內源性酸傳感器。他們在葉子的保衛細胞中發現，有一種鈣儲存在處理細胞反應中的質子信號中起著重要作用。
為什么像質子和鈣離子這樣的簡單元素可以作為信號
在進化過程中，細胞已經設計了它們的新陳代謝以利用富含能量的磷酸鹽。這導致了一個問題：在細胞pH值主要為中性的情況下，有價值的磷酸鹽可以與鈣離子（Ca2+）并轉化為不溶性，因此不再可用的形式（磷酸二氫鈣）。
為了避免這種情況，細胞將其內部鈣水平保持在非常低的水平。然而，在他們的環境中，它要高出 10,000 倍。在細胞外，質子（H）的濃度和酸度也要高得多。由于這種濃度梯度，兩種類型的離子都有強烈的流入細胞的沖動，使它們成為用作信使物質的理想選擇。+
“細胞膜中鈣和質子通道的刺激依賴性開放導致兩個信使離子的細胞內暫時增加，”Hedrich解釋說。“細胞將其理解為一種信號，它們使用鈣和質子結合酶將其轉化為生物反應。
電燈開關控制質子流入細胞
植物細胞如何對質子的流入及其細胞漿的酸化做出反應？到目前為止，這只能通過大量的實驗努力來研究，即使那樣也只能間接地進行。
現在，這要歸功于Hedrich的團隊使用光遺傳學方法開發的適當裝備的水芹（擬南芥），這要容易得多：來自真菌的光敏質子通道，通道視紫紅質KCR2，被優化用于植物細胞。這意味著質子現在可以響應光脈沖被特異性地送入細胞。此外，它們還表達了 KCR2 和遺傳編碼的 pH 報告基因 pHuji。這使得在KCR2激活時測量細胞中的當前pH值變得非常容易。
《科學》雜志的作者黃壽光接下來仔細研究了新擬南芥突變體的保衛細胞。“當我用藍光刺激它們一秒鐘時，它們會去極化，就像我對光激活質子通道所期望的那樣，”研究人員說。在隨后的實驗中，維爾茨堡離子通道專家取得了意義深遠的發現。
KCR2 激活使細胞酸化并導致鈣升高
他們對保衛細胞的電生理學研究表明，當光刺激開始時，膜電位立即去極化，pH報告基因pHuji發出細胞內部酸化的信號。
“然而，當去極化和酸化在光脈沖結束后持續了一分鐘時，我們感到驚訝，”Hedrich說。“這只能意味著KCR2的光激活和酸化激活了括約肌細胞自身的離子通道。這些是眾所周知的保衛細胞陰離子通道 SLAC1 和 SLAH3，然而，它們的激活也需要鈣的存在。
內質網作為鈣儲存
“綜合所有事實，可以假設KCR2攜帶的質子電流和細胞內部的相關酸化也一定產生了鈣信號，”JMU教授總結道。
他的團隊能夠證明，保衛細胞的快速酸化之后是持續150至200秒的鈣信號。他們發現這種鈣不是來自細胞外，而是從內源性儲存，即內質網釋放出來的。這是一個由貫穿細胞質的膜管和蓄水池組成的網絡。
未來的研究現在將集中在分析內質網的H敏感鈣通道的分子性質，并研究其質子激活的開/關開關。總的來說，這些研究對于更好地了解植物細胞如何對感染或干旱等外部刺激做出反應非常重要。+
更多信息：Shouguang Huang 等人，光門控通道視紫紅質引發保衛細胞中質子誘導的鈣釋放，科學（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696
期刊信息： Science
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