Haematopoietic lineage cell-specific protein 1 (HS1) promotes actin-related protein (Arp) 2/3 complex-mediated actin polymerization

HS1 (haematopoietic lineage cell-specific gene protein 1), a prominent substrate of intracellular protein tyrosine kinases in haematopoietic cells, is implicated in the immune response to extracellular stimuli and in cell differentiation induced by cytokines. Although HS1 contains a 37-amino acid tandem repeat motif and a C-terminal Src homology 3 domain and is closely related to the cortical-actin-associated protein cortactin, it lacks the fourth repeat that has been shown to be essential for cortactin binding to filamentous actin (F-actin). In this study, we examined the possible role of HS1 in the regulation of the actin cytoskeleton. Immunofluorescent staining demonstrated that HS1 co-localizes in the cytoplasm of cells with actin-related protein (Arp) 2/3 complex, the primary component of the cellular machinery responsible for de novo actin assembly. Furthermore, recombinant HS1 binds directly to Arp2/3 complex with an equilibrium dissociation constant (K-d) of 880 nM. Although HS1 is a modest F-actin-binding protein with a Kd of 400 nM, it increases the rate of the actin assembly mediated by Arp2/3 complex, and promotes the formation of branched actin filaments induced by Arp2/3 complex and a constitutively activated peptide of N-WASP (neural Wiskott-Aldrich syndrome protein). Our data suggest that HS1, like cortactin, plays an important role in the modulation of actin assembly.

The association of the Arabidopsis actin-related protein (ARP) 2/3 complex with cell membranes is linked to its assembly status but not its activation

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Expansion of the Actin Gene Family in Amphioxus

肌动蛋白是一种分布广泛而且在进化上十分保守的蛋白,是构成细胞骨架的关键组分.肌动蛋白通常被分成肌肉型和胞质型两种类型,各自行使着不同的功能.在此,作者对弗罗里达文昌鱼基因组中的肌动蛋白基因家族进行了系统分析,发现文昌鱼中该基因家族成员多达30多个,其中很多都是连锁分布的.基因结构趋于多样,分别包含2～7个外显子.进化分析的结果显示,文昌鱼的肌动蛋白基因家族可能通过串联重复而发生了扩增.作者还克隆了厦门文昌鱼两个不同的肌肉犁肌动蛋白基因,并比较了它们在文昌鱼早期胚胎中的表达图式.结果显示,这两个基因在表达上有着细微的差别,提示文昌鱼肌动蛋白基因家族成员在功能上的分化.上述结果将有助于阐明肌动蛋白基因家族及其功能在脊索动物中的演化.

Cooperation of Mtmr8 with PI3K Regulates Actin Filament Modeling and Muscle Development in Zebrafish

Background: It has been shown that mutations in at least four myotubularin family genes (MTM1, MTMR1, 2 and 13) are causative for human neuromuscular disorders. However, the pathway and regulative mechanism remain unknown. Methodology/Principal Findings: Here, we reported a new role for Mtmr8 in neuromuscular development of zebrafish. Firstly, we cloned and characterized zebrafish Mtmr8, and revealed the expression pattern predominantly in the eye field and somites during early somitogenesis. Using morpholino knockdown, then, we observed that loss-of-function of Mtmr8 led to defects in somitogenesis. Subsequently, the possible underlying mechanism and signal pathway were examined. We first checked the Akt phosphorylation, and observed an increase of Akt phosphorylation in the morphant embryos. Furthermore, we studied the PH/G domain function within Mtmr8. Although the PH/G domain deletion by itself did not result in embryonic defect, addition of PI3K inhibitor LY294002 did give a defective phenotype in the PH/G deletion morphants, indicating that the PH/G domain was essential for Mtmr8's function. Moreover, we investigated the cooperation of Mtmr8 with PI3K in actin filament modeling and muscle development, and found that both Mtmr8-MO1 and Mtmr8-MO2+LY294002 led to the disorganization of the actin cytoskeleton. In addition, we revealed a possible participation of Mtmr8 in the Hedgehog pathway, and cell transplantation experiments showed that Mtmr8 worked in a non-cell autonomous manner in actin modeling. Conclusion/Significance: The above data indicate that a conserved functional cooperation of Mtmr8 with PI3K regulates actin filament modeling and muscle development in zebrafish, and reveal a possible participation of Mtmr8 in the Hedgehog pathway. Therefore, this work provides a new clue to study the physiological function of MTM family members.

Cortactin mediated morphogenic cell movements during zebrafish (Danio rerio) gastrulation

Cell migration is essential to direct embryonic cells to specific sites at which their developmental fates are ultimately determined. However, the mechanism by which cell motility is regulated in embryonic development is largely unknown. Cortactin, a filamentous actin binding protein, is an activator of Arp2/3 complex in the nucleation of actin cytoskeleton at the cell leading edge and acts directly on the machinery of cell motility. To determine whether cortactin and Arp2/3 mediated actin assembly plays a role in the morphogenic cell movements during the early development of zebrafish, we initiated a study of cortactin expression in zebrafish embryos at gastrulating stages when massive cell migrations occur. Western blot analysis using a cortactin specific monoclonal antibody demonstrated that cortactin protein is abundantly present in embryos at the most early developmental stages. Immunostaining of whole-mounted embryo showed that cortactin immunoreactivity was associated with the embryonic shield, predominantly at the dorsal side of the embryos during gastrulation. In addition, cortactin was detected in the convergent cells of the epiblast and hypoblast, and later in the central nervous system. Immunofluorescent staining with cortactin and Arp3 antibodies also revealed that cortactin and Arp2/3 complex colocalized at the periphery and many patches associated with the cell-to-cell junction in motile embryonic cells. Therefore, our data suggest that cortactin and Arp2/3 mediated actin polymerization is implicated in the cell movement during gastrulation and perhaps the development of the central neural system as well.

水稻富含甘氨酸蛋白在细胞中的定位及其基因调控元件的转基因分析

水稻Angrp-1基因编码富含甘氨酸蛋白质。氨基酸序列分析表明该蛋白在氨基端可能存在一个信号肽序列，其后为富含甘氨酸序列。亲水性指数显示AnGRP-1蛋白包含两个区域。第一个区域由氨基端的1到27氨基酸残基组成。为强疏水性区。该肽段的氨基端为带正电荷号肽特征。与水稻Osgrp-1和菜豆grp1.8基因编码的信号肽进行同源性比较，发现这三种信号肽具有alafLvLLNIg同源序列。AnGRP-1蛋白的第二区域由第28到183氨基酸残基组成。该区域富含甘氨酸，具轻度亲水性，并且含有15个Gly-Tyr-Gly基序，这些基序中的酷西安酸残基之间相互作用，有可能形成分子间或分子内的连接。 利用水稻原生质体瞬间表达系统，比较Angrp-1基因启动子283bp和－1020bp片段，以及Ubiquitin启动子、Actin启动子和35S启动子的活性。结果表明，在水稻原生质体瞬间表达中，Angrp-1基因的两个启动子片段活性较低，接近本底。三个对照的组成型启动子中，以Ubiquitin启动子的活性最强，Actin启动子次之， 35S启动子最弱。根据以上结果推测水稻Angrp-1基因的表达可能具有组织或发育特异异表达和特性。 为研究Angrp-1基因的稳定表达与调控特性，将Angrp-1基因的启动子缺失片段1020bp、941bp、568bp和182bp分别与GUS基因融合，得到pGRP6-121、pGRP7-121、pGRP8-121和pGRP9-121等4个克隆，进行烟草转化，获得转基因植株。GUS活性测定表明在－1020到－568之间，随缺失增多，启动子活性下降。当缺失至－182时，182bp的启动子片段活性高于568bp片段。因此，Angrp-1基因5'端－1020到－568之间存在正调控序列，在－568至－182之间存在负调控序列。对pGRP6-121的烟草转基因植株进行GUS组织染色和活性测发现，GUS基因在维管组织优先表达。在根、茎、叶三种器官中，叶和茎的表达量最高。营养生长期的表达量高于生殖生长期。用2283bp和1020bp的启动子片段分别与GUS基因融合，转化水稻，转化体的GUS组织学染色表明Gus基因具有维管束优先表达特性。因此，Angrp-1基因的表达具有较明显的组织、器官和发育特异性。 水稻AnGRP-1蛋白的免疫组织定位分析表明，Angrp-1基因产物主要定位于水稻的维管组织。利用免疫金方法对AnGRP-1蛋白进行超微结构定位，发现金颗粒主要分布于水稻细胞的细胞壁中。因此，可基本确定AnGRP-1蛋白为细胞壁蛋白。在细胞内的内质网和高尔基体上面或附近也有金颗粒的分布，表明至少有部分AnGRP-1蛋白经过内质网－高尔基体－质膜途径，最终达到细胞壁。 为研究Angrp-1基因编码的信号肽功能，将其信号肽与GUS的氨基端融合，分别置于35S启动子和Angrp-1基因1020bp启动子片段控制之下，得到克隆p35s-SP-GUS-121和pGRP6-SP-GUS-121，分别以pBI121和pGRP6-121作对照，进行烟草基因转化。转化体的GUS活性分析表明，在35S启动子控制下，加与不加信号肽对GUS活性影响不大。但是，在Angrp-1基因的1020bp启动子片段作用下，信号肽与GUS融合后的转化体中其本不表现GUS活性。利用免疫金方法进行的超微结构定位表明，在p35S-SP-GUS-121和pGRP6-SP-GUS-121转化的烟草植株中，均可在细胞壁中检测室GUS产物的存在，因此AnGRP-1的信号肽能引导GUS从细胞质分泌细胞壁中。 以Angrp-1基因5'端的－568到＋1作探针，发现Angrp-1基因以在水稻窄叶青和京系17两个亲本中存在多态性，并进一步将Angrp-1基因定位于水稻第10号染色体上。

羊草细胞差异表达基因分析与遗传转化方法研究

羊草（Leymus chinensis (Trin.) Tzvel），隶属禾本科赖草属，是欧亚大陆草原区东部重要建群种之一。羊草是牧草之王，是我国比较有优势的战略性生物资源，对我国北方畜牧业的发展以及生态环境的保育均具有重要意义。近年来，由于缺乏科学管理、过度放牧等不利影响，加之羊草本身固有的“三低”问题（即抽穗率低、结实率低、发芽率低）已对羊草生物多样性维持构成了严重的威胁，限制了我国人工草地建设和天然草地的改良及沙化治理的步伐。因此，如何通过细胞、分子生物学以及生物技术手段改良羊草、快速评价和创造新的种质;如何加快育种进程便成为当前亟待解决的问题。本文围绕这些问题开展了系统的研究并取得如下结果： 1. 建立了羊草离体培养再生体系，并研究了影响愈伤组织诱导和植株再生的因素，影响植株再生的主要因素为激素配比和基因型。将3～5mm的幼穗接种到含有2,4-D 0～5.0mg/L的N6基本培养基上，随着2,4-D浓度的变化，愈伤组织诱导率不同，最高诱导率为93.21%（基因型C6）、最低为33.35%（吉生1号）;愈伤组织在N6(大)＋B5(微)＋KT1.0mg/L+BA1.0mg/L的培养基上可以分化出芽，并在1/2MS培养基上生根。羊草基因型W4不同幼穗诱导的愈伤组织在继代培养过程中其生长、褐化死亡等方面存在着差异;在分化培养过程中，不同幼穗的愈伤组织最高分化率为9.24%，最低分化率为5.26%。 2. 对来自同一基因型不同幼穗的愈伤组织中差异表达的基因进行了研究。采用DDRT-PCR技术对其差异表达的基因进行了分离，通过银染技术显示差异片段。将得到的差异片段进行回收、克隆测序，得到两个差异片段序列，经过序列分析表明，其中一个片段是与水稻翻译延伸因子eEF-1基因高度同源;另一差异片段与水稻谷胱甘肽转移酶GST基因高度同源。 3. 建立了羊草遗传转化方法。在获得羊草离体培养再生体系的基础上，采用基因枪法对羊草两个基因型进行转抗除草剂基因（PAT）的研究。对分别来自基因型W4和C3的愈伤组织各1430和1850块进行转化。在附加1.0mg/L PPT的培养基上进行一系列的筛选培养，共获得了23株再生苗，经过生根筛选培养，得到5株抗性苗，3株来自基因型W4，2株来自基因型C3。对5株植株进行PCR和Southern 检测，得到2株阳性苗，均来自基因型W4，对阳性植株经过无性繁殖得到的无性系进行PCR检测及Basta耐受性鉴定，外源基因可以在其无性系稳定遗传并表达，无性系除对Basta具有抗性外，其表型特征与对照无明显区别。

白杄花粉管微丝骨架介导信号传导的蛋白质组学研究

在高等植物有性生殖过程中，花粉管作为运输精子到胚珠的载体，它的生长具有高度极性化，并且要依赖于微丝。由于花粉管本身所具的特性，它已经成为研究细胞相互识别、胞内和胞外信号的模式系统。本文为了研究微丝在白杄（Picea meyeri Rehd. et Wils.）花粉管生长中的作用，我们应用不同浓度的微丝聚合抑制剂Latrunculin B (LATB) 处理花粉管，并通过激光共聚焦显微镜观察微丝聚合状态的动态变化。结果发现，在低浓度下的LATB能使花粉管中的微丝严重解聚，且抑制其顶端生长。 我们进一步利用蛋白质组学的手段，分析了白杄花粉管微丝解聚后蛋白质的表达图谱。通过双向电泳分离出500个左右考马斯亮兰染色的蛋白质斑点，经过软件分析发现，其中大部分蛋白质的表达量未发生变化，而只有110个蛋白斑点有较大变化。将这些蛋白斑点从胶上切下酶解后用于质谱鉴定，最终鉴定出35个蛋白，其中有18个为上调蛋白，17个下调蛋白。根据其主要功能，通常可分为碳水化合物代谢、胁迫反应、信号和细胞扩展等几类。我们发现由于微丝解聚引起的能量代谢水平降低，可能与依赖于信号传导的微丝重组过程相关。此外，当LATB浓度增加到50 nM时，与细胞壁多糖合成相关的两个蛋白，如reversibly glycosylated polypeptide和type IIIa membrane protein cp-wap13几乎不表达，这说明当微丝聚合完全被抑制后，依赖于微丝的分泌系统也受到影响，从而引起相应蛋白质变化，最终导致细胞壁成分合成的减少。细胞骨架蛋白actin的下调，进一步说明微丝在花粉管生长过程中起着提供或支持的一种机制，也就是能调节信号介导的花粉管生长，并使其在特定的时期到达特定的部位，从而完成植物的受精作用。

一氧化氮(NO)调节白皮松花粉管生长和细胞壁构建的研究

花粉管是种子植物受精过程中的雄性生殖单位载体，具有典型的顶端极性生长特点，因此成为近年来研究植物细胞间相互识别、胞内外信号传递的模式系统。裸子植物花粉管与被子植物花粉管相比具有萌发时间长、生长缓慢等特点。一氧化氮（NO）作为一个重要的胞内信号分子，参与调节植物生长发育和多种生理过程，但是，有关NO对花粉管生长的作用机制目前尚不清楚。本研究以裸子植物白皮松(Pinus bungeana)花粉为材料，应用不同浓度的NO释放剂SNAP和SNP, NO清除剂cPTIO和哺乳动物一氧化氮合酶抑制剂L-NNA处理，对白皮松花粉萌发和花粉管伸长进行了细胞学研究，从而为进一步揭示NO调控裸子植物花粉管生长机理提供参考。 本论文首先研究了NO释放剂、清除剂及NOS抑制剂对白皮松花粉萌发和花粉管生长的影响。结果显示，SNAP和SNP能够促进白皮松花粉萌发和花粉管伸长，并具有浓度效用，但对其花粉管的形态特征无明显影响；cPTIO和L-NNA能够抑制白皮松花粉萌发和花粉管生长，并且具有浓度效应，同时还可使花粉管顶端膨大呈球形，并丧失花粉管的极性生长。运用NO特异探针DAF-2DA标记显示，SNAP和SNP处理可促进花粉管胞内NO产生；经cPTIO和L-NNA处理后，花粉管内荧光强度比对照花粉管明显减弱。上述结果表明，NO参与裸子植物花粉管极性生长，并且适量NO可以促进花粉管的生长。 用显微注射技术将Ca2+特异探针注射入白皮松花粉管，以检测白皮松花粉管胞内Ca2+浓度梯度。结果显示，SNAP和SNP处理后，NO荧光增加的同时，花粉管顶端Ca2+浓度梯度增加。与此相反，cPTIO和L-NNA处理后，NO荧光降低的同时，花粉管顶端Ca2+浓度梯度也相应降低。应用非损伤微测技术测定花粉管胞外Ca2+内流，结果显示，SNAP和SNP促进胞外Ca2+内流，而cPTIO和L-NNA则抑制胞外Ca2+内流。据此，我们推测，在白皮松花粉管中，NO可能通过调节胞外Ca2+内流来调节胞内Ca2+浓度梯度，然而，我们不能排除在NO信号传递过程中，胞内Ca2+库可能影响胞内Ca2+浓度梯度。 通过微丝特异探针标记的白皮松花粉管显示，SNAP和SNP可使花粉管顶端细微丝束解聚，而cPTIO和L-NNA处理后，花粉管中微丝聚合，尤其在花粉管顶端形成粗的微丝束，并一直延伸到花粉管的最顶端。结合上述Ca2+结果，我们认为，经NO处理后，白皮松花粉管微丝骨架的动态变化，可能是通过Ca2+浓度来进行调控的。通过FM4-64探针标记显示，正常生长白皮松花粉管胞吞作用主要集中在顶端和亚顶端，并且形成倒“V”形的分布模式，SNAP与SNP处理后荧光分布模式与对照花粉管类似，但达到饱和所用时间相对较短；而L-NNA处理后顶端膨大丧失极性的花粉管，荧光分布在膨大花粉管靠近质膜的区域，未见倒“V”形分布模式；经L-NNA处理后，顶端没有膨大的花粉管，荧光几乎均匀分布于整个花粉管，并且L-NNA处理后达到饱和的时间较对照长。上述结果表明，适量NO能够促进白皮松花粉管胞吞。 免疫抗体标记技术分析发现，对照花粉管的酯化果胶质和AGPs都集中在顶端，酸性果胶质分布在侧壁，胼胝质均匀分布在整个花粉管壁上。L-NNA处理后的花粉管，在其顶端出现酸性果胶和酯化果胶，以及有胼胝质积累，而AGPs则分布在花粉管的基部。运用傅里叶红外光谱技术（Fourier Transform Infared Spectroscopy, FTIR）技术分析白皮松花粉管顶端细胞壁成分，结果显示，SNAP处理后花粉管顶端酯化果胶增加而酸性果胶降低；与之相反，经L-NNA处理后的花粉管，其顶端酯化果胶降低而酸性果胶增加。 综上所述，在白皮松花粉管中，NO促进胞外Ca2+内流，从而维持胞内Ca2+浓度梯度，进而影响花粉管顶端微丝骨架的组装，促进囊泡运输，使花粉管顶端酯化果胶累积，最终促进花粉管的正常生长。