作者：Sebastian Hofmann，Julius-Maximilians-Universität Würzburg

HcKCR2 在植物細(xì)胞中起作用 A. 表達(dá) eYFP 標(biāo)記的 HcKCR2 或?qū)φ?（Ret-eYFP） 的本氏奈瑟菌原生質(zhì)體的共聚焦圖像，在瞬時(shí)轉(zhuǎn)化后 48 小時(shí)捕獲。B-C.用對(duì)照構(gòu)建體（B）或HcKCR2（C）轉(zhuǎn)化的本氏奈瑟菌原生質(zhì)體的膜片鉗實(shí)驗(yàn)中記錄的全細(xì)胞電流。將細(xì)胞保持在 -60 mV 的保持電位，并以 40 至 -60 mV 的步長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，遞減 20 mV，持續(xù) 8 秒。5 s BL 脈沖 （λ = 490 nm， 5 mW/mm2）施加在每個(gè)電壓階躍上。D.對(duì)照和HcKCR2表達(dá)原生質(zhì)體的I-V關(guān)系。圖片來源：科學(xué)（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696

利用光遺傳學(xué)，維爾茨堡的研究人員在植物細(xì)胞中檢測(cè)到一種新的酸傳感器，該傳感器可以解決細(xì)胞內(nèi)部的鈣儲(chǔ)存問題。該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

當(dāng)植物被病原體感染、缺水或不得不對(duì)其他外部刺激做出反應(yīng)時(shí)，它們要做的第一件事就是增加受影響細(xì)胞中的質(zhì)子和鈣濃度。然后，質(zhì)子和鈣離子就像信使物質(zhì)一樣，在細(xì)胞中引發(fā)進(jìn)一步的反應(yīng)。

在這個(gè)過程中，質(zhì)子和鈣離子之間的相互作用以前在很大程度上是未知的。由德國(guó)巴伐利亞州維爾茨堡朱利葉斯-馬克西米利安大學(xué)（JMU）的生物物理學(xué)家Rainer Hedrich教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的一項(xiàng)新研究現(xiàn)在為這一主題提供了新的線索。

使用復(fù)雜的光遺傳學(xué)方法，研究人員在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的內(nèi)源性酸傳感器。他們?cè)谌~子的保衛(wèi)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，有一種鈣儲(chǔ)存在處理細(xì)胞反應(yīng)中的質(zhì)子信號(hào)中起著重要作用。

為什么像質(zhì)子和鈣離子這樣的簡(jiǎn)單元素可以作為信號(hào)

在進(jìn)化過程中，細(xì)胞已經(jīng)設(shè)計(jì)了它們的新陳代謝以利用富含能量的磷酸鹽。這導(dǎo)致了一個(gè)問題：在細(xì)胞pH值主要為中性的情況下，有價(jià)值的磷酸鹽可以與鈣離子（Ca2+）并轉(zhuǎn)化為不溶性，因此不再可用的形式（磷酸二氫鈣）。

為了避免這種情況，細(xì)胞將其內(nèi)部鈣水平保持在非常低的水平。然而，在他們的環(huán)境中，它要高出 10,000 倍。在細(xì)胞外，質(zhì)子（H）的濃度和酸度也要高得多。由于這種濃度梯度，兩種類型的離子都有強(qiáng)烈的流入細(xì)胞的沖動(dòng)，使它們成為用作信使物質(zhì)的理想選擇。+

“細(xì)胞膜中鈣和質(zhì)子通道的刺激依賴性開放導(dǎo)致兩個(gè)信使離子的細(xì)胞內(nèi)暫時(shí)增加，”Hedrich解釋說�！凹�(xì)胞將其理解為一種信號(hào)，它們使用鈣和質(zhì)子結(jié)合酶將其轉(zhuǎn)化為生物反應(yīng)。

電燈開關(guān)控制質(zhì)子流入細(xì)胞

植物細(xì)胞如何對(duì)質(zhì)子的流入及其細(xì)胞漿的酸化做出反應(yīng)？到目前為止，這只能通過大量的實(shí)驗(yàn)努力來研究，即使那樣也只能間接地進(jìn)行。

現(xiàn)在，這要?dú)w功于Hedrich的團(tuán)隊(duì)使用光遺傳學(xué)方法開發(fā)的適當(dāng)裝備的水芹（擬南芥），這要容易得多：來自真菌的光敏質(zhì)子通道，通道視紫紅質(zhì)KCR2，被優(yōu)化用于植物細(xì)胞。這意味著質(zhì)子現(xiàn)在可以響應(yīng)光脈沖被特異性地送入細(xì)胞。此外，它們還表達(dá)了 KCR2 和遺傳編碼的 pH 報(bào)告基因 pHuji。這使得在KCR2激活時(shí)測(cè)量細(xì)胞中的當(dāng)前pH值變得非常容易。

《科學(xué)》雜志的作者黃壽光接下來仔細(xì)研究了新擬南芥突變體的保衛(wèi)細(xì)胞�！爱�(dāng)我用藍(lán)光刺激它們一秒鐘時(shí)，它們會(huì)去極化，就像我對(duì)光激活質(zhì)子通道所期望的那樣，”研究人員說。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，維爾茨堡離子通道專家取得了意義深遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)。

KCR2 激活使細(xì)胞酸化并導(dǎo)致鈣升高

他們對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞的電生理學(xué)研究表明，當(dāng)光刺激開始時(shí)，膜電位立即去極化，pH報(bào)告基因pHuji發(fā)出細(xì)胞內(nèi)部酸化的信號(hào)。

“然而，當(dāng)去極化和酸化在光脈沖結(jié)束后持續(xù)了一分鐘時(shí)，我們感到驚訝，”Hedrich說。“這只能意味著KCR2的光激活和酸化激活了括約肌細(xì)胞自身的離子通道。這些是眾所周知的保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道 SLAC1 和 SLAH3，然而，它們的激活也需要鈣的存在。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為鈣儲(chǔ)存

“綜合所有事實(shí)，可以假設(shè)KCR2攜帶的質(zhì)子電流和細(xì)胞內(nèi)部的相關(guān)酸化也一定產(chǎn)生了鈣信號(hào)，”JMU教授總結(jié)道。

他的團(tuán)隊(duì)能夠證明，保衛(wèi)細(xì)胞的快速酸化之后是持續(xù)150至200秒的鈣信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)這種鈣不是來自細(xì)胞外，而是從內(nèi)源性儲(chǔ)存，即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放出來的。這是一個(gè)由貫穿細(xì)胞質(zhì)的膜管和蓄水池組成的網(wǎng)絡(luò)。

未來的研究現(xiàn)在將集中在分析內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的H敏感鈣通道的分子性質(zhì)，并研究其質(zhì)子激活的開/關(guān)開關(guān)。總的來說，這些研究對(duì)于更好地了解植物細(xì)胞如何對(duì)感染或干旱等外部刺激做出反應(yīng)非常重要。+

更多信息：Shouguang Huang 等人，光門控通道視紫紅質(zhì)引發(fā)保衛(wèi)細(xì)胞中質(zhì)子誘導(dǎo)的鈣釋放，科學(xué)（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696

期刊信息： Science