细胞核膜是维系细胞核形态、保护基因组稳定的关键屏障。与动物拥有经典核纤层蛋白不同, 植物缺少同源lamin蛋白, 核膜如何维持结构完整一直是植物细胞生物学领域悬而未决的重要科学问题。近日, 北京大学现代农业研究院唐雨课题组在Molecular Plant发表了题为Small GTPase RAN‑driven PNET2 oligomerization and phase separation at the nuclear lamina promote nuclear envelope integrity in plants的研究论文。研究发现, 内核膜蛋白PNET2作为核心支架, 协同小GTP酶RAN、核纤层组分KAKU4/CRWN, 依靠液-液相分离调控核膜重塑, 保障核膜完整和基因组稳定。该工作解析出一条“GTP酶信号-相分离”协同调控植物核膜稳态的全新模块, 为理解植物核纤层工作模式提供新思路, 也为作物中 PNET2 同源基因的功能挖掘奠定理论基础。
该研究首先对pnet2_ab突变体开展表型解析。PNET2功能缺失会造成核膜出现褶皱、缺口、碎片化缺陷, 内外核膜标记蛋白SUN1、WIP1定位紊乱 (图1A); PNET2_B过表达则诱导内核膜异常增殖, 在核内形成大量膜泡环状结构 (图1B)。这说明PNET2的蛋白剂量必须严格平衡, 缺失或者过量积累都会破坏核膜稳态。PNET2_B的C端内在无序区 (IDR) 介导液‑液相分离, IDR上保守芳香族FYW残基是发生相分离的关键位点, 突变后蛋白丧失凝聚体形成与膜重塑活性(图1C)。 同时发现PNET2能够和核纤层类蛋白CRWN1、KAKU4发生直接互作, 三者可发生协同共相分离(liquid–liquid phase separation)。三者共孵育形成的凝聚体显著大于单个蛋白。遗传实验表明, PNET2介导的内核膜扩张完全依赖CRWN家族蛋白; 而KAKU4诱导的核膜变形部分需要PNET2参与 (图1D, E)。PNET2作为核心支架, 招募CRWN与KAKU4组装高阶相分离凝聚体, 共同完成核膜重塑。
图1. PNET2参与核膜稳态
基于以上, 该研究提出工作模型: 核内RAN‑GTP与PNET2互作, 促进PNET2寡聚; 寡聚化的PNET2招募CRWN1、KAKU4, 依靠内在无序区发生协同液‑液相分离, 在核纤层组装高阶蛋白凝聚体, 驱动核膜重塑, 维持核膜完整, 保护基因组免于DNA损伤 (图2)。
图2. PNET2参与核膜稳态的工作模型
北京大学现代农业研究院唐雨研究员为通讯作者, 助理研究员刘晓为论文第一作者。中国农业大学博士研究生金定蓉、课题组工作人员魏春倩、徐阳参与工作。此外，加州大学伯克利分校谷杨楠教授和北京大学现代农业研究院院长邓兴旺院士为本研究提供了重要帮助和支持。本研究得到北京大学现代农业研究院启动经费支持。
论文链接：
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42613843/
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