Nature Plants | 王志勇團隊揭示植物細胞分裂調控新機制

動物和真菌細胞的分裂的分子機制已經(jīng)被深入研究，但由于部分關鍵蛋白不保守的緣故，植物和頂復門（Apicomplexan）生物的細胞分裂過程仍有許多未解之謎。其中一個例子便是 有絲分裂促進因子CDC25磷酸酶。在動物和真菌細胞中，當DNA受到損傷或者未完成復制時，細胞周期調控的關鍵激酶cyclin-dependent kinase (CDK)被磷酸化失活，從而阻止細胞進入有絲分裂。當細胞完成DNA修復和復制時，CDC25對CDK磷酸化啟動細胞進入有絲分裂【1】。CDC25缺失會導致細胞DNA復制后無法進入有絲分裂。然而，在植物和頂復門生物中并沒有CDC25磷酸酶的同源蛋白，因此，它們如何調控細胞跨過檢查點使細胞進入分裂期是植物細胞生物學的一大謎題【2】。

近日，斯坦福卡內基研究所（Carnegie Institution for Science）王志勇團隊在植物學頂級期刊Nature Plants在線發(fā)表了題為Mitotic entry is controlled by the plant-specific phosphatase BSL1 and cyclin-dependent kinase B的研究論文【2】，揭示了植物特有的BSL1磷酸酶通過去磷酸化CDKB調控細胞分裂的新機制。

研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了藍衣藻（Chlamydomonas）BSL1磷酸酶的突變（bsl1-1）造成細胞在DNA復制完成后無法正常地進入有絲分裂。

圖1. 藍衣藻bsl1 敲除突變體無法正常進行細胞分裂

為了進一步探索BSL1磷酸酶在細胞分裂中的作用，研究人員對野生型藍衣藻和bsl1-1突變體進行了磷酸蛋白質組學分析，并發(fā)現(xiàn)在bsl1-1中，CDKB的一個保守肽段的蘇氨酸14（Thr14）和酪氨酸15 (Tyr15) 位點磷酸化顯著增加。而在動物細胞中這兩個位點正是被CDC25去磷酸化，從而使細胞進入分裂期的關鍵。隨后研究人員純化了CDKB和BSL1并通過生物膜干涉實驗證明了他們存在直接的互作，同時從植物中免疫沉淀得到的磷酸化形式的CDKB可以在體外被BSL1直接去磷酸化（圖2）。

圖2.BSL1能夠與CDKB直接互作并去磷酸化CDKB

為了證實Thr14和Tyr15磷酸化/去磷酸化的功能，研究人員通過將這兩個位點突變成模擬磷酸化的谷氨酸(Glc)和天冬氨酸(Asp)證明了磷酸化抑制CDKB的功能。而當這兩個位點突變成不能被磷酸化的丙氨酸和苯丙氨酸時，細胞能在培養(yǎng)基上生長，但對DNA合成抑制劑超敏感，說明CDKB的磷酸化對DNA復制未完成時推遲細胞分裂是必須對。 這些研究結果闡明，與真菌和動物類似，植物細胞分裂也受Thr14和Tyr15磷酸化控制，但植物沒有CDC25，而是用BSL1催化CDKB去磷酸化來啟動有絲分裂，這一發(fā)現(xiàn)填補了植物中細胞分裂調控的空白，為植物細胞進入分裂期的調控機制提供了新的見解。

值得一提的是，BSL1家族在高等植物中已知道的功能包括多個受體激酶的下游信號轉導，其中包括生長激素油菜素brassinosteroid/BRI1，免疫信號鞭毛素Flagellin/FLS2信號通路【4】, 和氣孔發(fā)育信號通路【5】。 BSL1的原始功能可能是有絲分裂促進因子，在多細胞高度植物中進化出多種信號轉導功能。

圖3. 動物和植物細胞中分裂期的不同調控方式示意圖

斯坦福Carnegie研究所的王志勇教授為論文的通訊作者，Carnegie研究所的博士后Frej Tulin為論文的第一作者。本研究得到了美國National Institute of Health (NIH)，National Science Foundation (NSF)，歐洲瑪麗·居里基金，以及Carnegie研究所經(jīng)費的支持。

參考文獻：

1. Arlsson-Rosenthal, C., and Millar, J.B. (2006). Cdc25: mechanisms of checkpoint inhibition and recovery.Trends Cell Biol16, 285-292. 10.1016/j.tcb.2006.04.002.

2. Boudolf, V., Inze, D., and De Veylder, L. (2006). What if higher plants lack a CDC25 phosphatase? Trends Plant Sci 11, 474-479. 10.1016/j.tplants.2006.08.009.

3. Tulin F., Aizezi Y., Reyes A., Fujieda Y., Grossman A., Xu S-L., Z., Onishi M.,Assaad F., and Wang Z-Y. (2025). Mitotic entry is controlled by the plant-specific phosphatase BSL1 and cyclin-dependent kinase B.Nature Plants, in press

4. Park, C.H., Bi, Y., Youn, J.H., Kim, S.H., Kim, J.G., Xu, N.Y., Shrestha, R., Burlingame, A.L., Xu, S.L., Mudgett, M.B., et al. (2022). Deconvoluting signals downstream of growth and immune receptor kinases by phosphocodes of the BSU1 family phosphatases. Nat Plants 8, 646-655. 10.1038/s41477-022-01167-1.

5. Guo, X., Park, C.H., Wang, Z.Y., Nickels, B.E., and Dong, J. (2021). A spatiotemporal molecular switch governs plant asymmetric cell division. Nat Plants 7, 667-680. 10.1038/s41477-021-00906-0.

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41477-025-02145-z