近日，上海交通大学农业与生物学院包岩课题组联合国内外多家单位在Science Advances杂志上发表题为“COST1 stimulates RHD3 GTPase activity to maintain ER morphology and plant growth in Arabidopsis”的研究论文，揭示了植物内质网形态调控与植物生长发育的新机制。
内质网（Endoplasmic reticulum, ER）是真核细胞中极其重要的膜性细胞器，具有高度的结构可塑性。在植物中，内质网对于蛋白质量控制、脂质合成、维持细胞壁完整性和细胞器生物发生尤为重要，其结构稳态受损会阻碍植物生长及环境适应。然而，植物中调控内质网结构稳态的分子机制仍不清楚。
实验室前期发现COST1是植物特有DUF641家族蛋白成员，可通过调节细胞自噬来控制植物抗旱性 (Bao et al., 2020, PNAS)。本研究进一步发现COST1是一种膜组分高度富集蛋白，可直接与内质网膜融合关键调节因子dynamin-like GTP酶RHD3相互作用。尽管COST1缺乏跨膜结构域，但可以被内质网膜锚定蛋白的RHD3蛋白招募到内质网的三向连接处。此外，被招募到内质网的COST1可以促进RHD3的二聚化和蛋白稳定性。
图1. RHD3促进COST1点的形成并将其招募到ER
生化实验表明，COST1可使RHD3的GTP水解活性提高约20%，并显著增强RHD3介导的膜融合能力。进一步通过结构模拟、分子筛和化学交联实验发现，COST1与RHD3在体外可形成异源四聚体。遗传学和细胞学分析显示，cost1 rhd3双突变体较单突变体表现出更严重的内质网碎片化和发育迟缓，强调了它们的协同作用。转录组分析显示，这些表型与植物胁迫应答和生长调控通路失衡密切相关。
图2. COST1促进RHD3的GTPase活性，并增强其膜融合能力
该研究揭示了一个植物特异性COST1-RHD3调控模块，二者协同调控内质网结构和形态，将内质网膜动力学与植物生长、逆境适应紧密联系起来，为理解植物特有的内质网调控机制提供了新的视角，也为作物抗逆性改良提供了潜在应用价值。
图3. COST1和RHD3协同调控内质网结构的工作模型
博士后王娇娇、2024级博士生姜健和中国科学院生物物理研究所博士后任杰为本文共同第一作者；学院长聘教轨副教授包岩为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金等支持。
原文链接：science.org/doi/10.1126/sciadv.aee4450