研究背景

糖基磷脂酰肌醇(GPI)修饰作为一种重要的蛋白修饰形式，可使非跨膜蛋白分泌并定位到质膜胞外侧特定区域，参与细胞表面的信号感知、细胞粘附、物质运输和新陈代谢等生物学过程。成熟的GPI修饰通常包含保守的多糖核心结构和可变的尾部脂质结构。研究表明，脂质部分对于GPI锚定蛋白定位到质膜特定脂质微区及执行特定功能至关重要。GPI尾部脂质结构的形成经多步重塑反应、由不饱和脂肪酸链转变成饱和脂质，最终在酵母中形成磷脂酰肌醇(PI)或磷脂酰神经酰胺(IPC)脂质结构，而在动物中则为PI或1-烷基-2-酰基磷脂酰肌醇结构。

脂质结构的不同意味着GPI锚定蛋白的胞内分选机制存在差异。植物中具有数百个GPI锚定蛋白，在所介导的众多生物学过程中，细胞壁形成和组装是植物GPI锚定蛋白的重要功能之一。然而，植物中GPI修饰、尤其是脂质重塑机制及其生物学功能仍相当不清楚。

图：GPI脂质重塑使GPI锚定蛋白定位于细胞膜脂筏微区并影响细胞壁形成

中国植物学会植物细胞生物学专业委员会委员、中国科学院遗传与发育生物学研究所周奕华研究团队长期从事植物细胞壁形成机理研究。近期利用水稻脆秆突变体brittle culm 16 (bc16)，鉴定到植物GPI修饰的脂质重塑关键酶，解析了GPI脂质修饰对蛋白质膜定位及细胞壁形成的重要作用。

基因克隆发现BC16 编码GPI脂质重塑中的跨膜O-酰基转移酶，与众多GPI形成基因共表达。BC16定位于内质网及高尔基体，将其导入酵母同源基因突变体gup1能够恢复突变菌株生长受阻表型，并在很大程度上弥补酵母GPI锚定蛋白的脂质结构缺陷。

针对水稻GPI锚定蛋白的脂质结构进行质谱分析，发现bc16突变体中饱和磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰神经酰胺(IPC)含量大幅减少，揭示了植物GPI蛋白的主要脂质结构。BC1是已报道的调控水稻次生细胞壁形成的关键GPI锚定蛋白。在bc16中对BC1及多个GPI锚定蛋白开展亚细胞定位分析，证实BC16介导的脂质重塑能够控制BC1质膜定位及靶向质膜特定微区，并发现纤维素合酶CESA4可定位于该微区，为BC16调控细胞壁组装提供了关键证据。

原子力显微镜观测和纳米压痕分析发现，bc16中次生细胞壁纤维素纳米纤丝组装与排布与bc1相似，不正常的组装导致细胞壁弹性模量改变、植株机械强度下降，首次从生物力学层面解释了脆性表型。因此，该研究应用多学科研究手段揭示了植物GPI修饰脂质成熟机制，阐释了其调控植物细胞壁力学性能和植株机械强度的机理，为作物支撑力力学性能分子设计改良提供新的理论依据。

该项研究成果以题为“Glycosylphosphatidylinositol anchor lipid remodeling directs proteins to the plasma membrane and governs cell wall mechanics”于8月17日在线发表于The Plant Cell杂志(DOI:10.1093/plcell/koac257)。

周奕华研究组客座博士后许作鹏，博士研究生高易宏和高成旭为该论文的共同第一作者，张保才青年研究员和周奕华研究员为共同通讯作者。该项研究得到了中科院先导专项、国家自然科学基金委以及青促会等项目的资助。

个人简介

周奕华研究员

周奕华研究员主要从事植物分子遗传学与细胞壁生物学研究、结构多糖与品质改良等方面的研究。相关研究成果发表在Nature Communications、Nature Plants、New Phytologist、The Plant Cell等国际主流期刊上。