蛋白质模式定向

时间:2020-03-03 19:08 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

蛋白质模式定向

在线虫胚胎发育过程中,第一次细胞分裂发生在受精卵长轴的横向。在一项新的研究中,LMU的生物物理学家已经展示了如何可靠地选择这个轴。

生物学中的许多基本过程依赖于细胞内特定蛋白质的图案分布的形成。例如细胞分裂前的卵裂面定位和组织生长方向。细胞极化的一个典型例子是线虫胚胎发生时的第一次细胞分裂,线虫是发育生物学中公认的实验模型生物。在这个系统中,细胞分裂的位置首先由所谓的PAR蛋白(分割缺陷蛋白)决定。由于它对后续的开发过程至关重要,因此必须严格控制此操作。LMU的生物物理学家Erwin Frey和他的研究小组现在已经确定了两种重要的机制,这两种机制有助于PAR蛋白沿着受精卵长轴的极化方向的稳定。这项新发现发表在在线杂志《自然通讯》上。

细长的秀丽隐杆线虫卵的第一次细胞分裂是不对称的,它决定了线虫未来的正面和背面。胚胎的前后极性由膜结合的PAR蛋白定义,PAR蛋白可分为两个亚组,apar和pPARs,分别与前、后结合。在未受精卵中,所有PAR蛋白均可自由扩散并均匀分布于整个细胞。原则上,它们都可以在任何点与膜结合。由于aPARs和pPARs之间的相互拮抗作用,每组蛋白很快在膜上形成一个区域,将另一组蛋白从膜上排除。“我们使用数学模型和数值模拟来探索细胞中蛋白质模式形成的机制。在这项研究中,我们分析了是什么决定了aPAR-pPAR模式的方向,具体来说,是什么使极化模式与卵子的长轴对齐,”弗雷团队的博士生、论文的第一作者Raphaela Gessele说。

每组par均可通过磷酸化作用与膜结合并拮抗膜上的其他蛋白组。在apar中,A1作为A2在膜上的连接体。在胞质溶胶中,磷酸化的蛋白只有在延迟一段时间后才被去磷酸化,使其在再次结合前从分离点扩散。模拟结果表明,apar和pPARs的磷酸化和去磷酸化状态之间的循环动力学是形成开始时轴选择过程中的一个关键因素。因此,从膜分离到结合亲和力恢复之间的平均延迟时间是决定蛋白质模式沿长轴的第一个方向的重要参数。

研究表明,受精卵的椭球形几何结构对其成图过程有一定的影响。由于曲率的不同,新近分离和自由扩散的蛋白质在细胞的两极比在细胞的其他地方更容易重新遇到细胞膜。拮抗蛋白按膜浓度的比例相互排斥,从而稳定结构域。根据磷酸化形式的各自寿命,蛋白质结构域最初定位于中细胞区域或细胞极点;然而,三维胚胎的最终极化总是与长轴对齐,”Gessele说。

椭球形胚胎长轴极化的选择进一步受到这样一个事实的支持,即两组蛋白相互排斥在膜上的aPAR和pPAR域之间的过渡区面积被最小化,降低了能量消耗。由于受精卵的几何形状被拉长,如果每个区域都被限制在一个极点上,这是最好的。“细胞极化在许多生物系统中起着至关重要的作用,”Frey指出。“我们的研究结果对细胞调节这一基本过程的机制产生了新的见解。”

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