分子'samurai劍'控制植物生長

來自AMOLF和Wageningen University&Research的研究人員使用智能模擬程序研究了一種名為katanin的植物蛋白，并在PNAS期刊上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

以日本武士刀劍命名的Katanin名副其實。該蛋白質(zhì)切斷基于蛋白質(zhì)的微管是作為基本構(gòu)建塊支架的植物纖維素等。結(jié)果，微管在正確的方向上生長，引導(dǎo)植物細(xì)胞的進(jìn)一步生長和分裂，并因此引導(dǎo)整個植物的發(fā)育。

延伸微管

微管長度可長達(dá)數(shù)十微米。它們位于植物細(xì)胞膜的內(nèi)部并沿著細(xì)胞內(nèi)部伸展。植物細(xì)胞的生長和分裂垂直于微管延伸的方向發(fā)生。“您可以將皮質(zhì)微管陣列與可以展開的緊身胸衣進(jìn)行比較，”Wageningen大學(xué)和研究中心(WUR)出版物和大學(xué)講師的第一作者Eva Deinum說。“在內(nèi)部，植物細(xì)胞承受相當(dāng)大的壓力，因此它們希望在各個方向上擴(kuò)展，生長和分裂。陣列決定了發(fā)生的方向。”

自組織機(jī)制

與動物細(xì)胞相比，植物細(xì)胞非常大，其中微管的中心分布點就足夠了。然而，植物需要分散和自組織的機(jī)制，仔細(xì)管理微管的生長。發(fā)現(xiàn)“武士刀”蛋白質(zhì)katanin在這種機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用。

不要隨便切斷

很長一段時間，人們認(rèn)為katanin引起了更多的混亂，因為如果將微管切成兩半，自由度的數(shù)量就會增加。然而，這個結(jié)論被證明是短視的。在Bela Mulder的領(lǐng)導(dǎo)下，研究人員發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)不會隨意切斷。它根據(jù)固定策略工作，保證所有微管都朝著正確的方向生長。

“微管的編程方式是，如果它們相互碰撞 - 因此彼此接觸 - 它們會停止生長甚至開始收縮，”Mulder說。“這是該組織的基本機(jī)制。如果兩個微管相互交叉而不發(fā)生碰撞，那么katanin就可以作為這個基本機(jī)制的后備 - 換句話說，如果它們不朝同一方向生長。這里，我們可以看到蛋白質(zhì)通常會切斷位于頂部的微管，即最后到達(dá)的管子。“

通過這些觀察，研究人員解決了katanin悖論。他們已經(jīng)證明katanin引導(dǎo)了一種選擇機(jī)制，促進(jìn)微管的組織 - 它們被包裝在一起的緊身胸衣。

'計算機(jī)'測試

研究的一個重要方面是Mulder小組使用的模擬程序。這最初由他的前博士生Simon Tindemans開發(fā)，隨后由Eva Deinum在AMOLF的博士研究期間進(jìn)行擴(kuò)展和完善。利用該程序，研究人員可以觀察到katanin蛋白的微小變化如何導(dǎo)致完全不同的切斷行為，從而導(dǎo)致完全混亂。在模擬中，該小組對各種突變對蛋白質(zhì)功能的影響進(jìn)行了“計算機(jī)模擬”測試。這表明只有天然的，非突變的變體才具有正確的切斷策略。

Deinum表示，高仿真速度對研究的成功至關(guān)重要。“因此，我們可以比競爭研究小組快10,000倍地運行模擬。我們不僅工作得更快，而且我們還可以測試更多的外部參數(shù)和條件變化。這對我們的結(jié)果產(chǎn)生了質(zhì)的影響例如，我們可以準(zhǔn)確地確定kantanin蛋白促進(jìn)排序的條件。“

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