植物一生的大部分時間都在利用光合作用來產生能量。然而，在種子開始生長後的最初階段，它們仍然無法捕捉光線。在這個短暫但重要的時期，它們反而依賴儲存的脂肪酸。在這些脂肪酸的分解過程中，植物細胞使用稱為過氧化物酶體的特殊結構。這些是在人類細胞中也發現的膜結合通道。由於其大小和可見性，植物細胞因此成為研究過氧化物酶體如何發揮作用的有用系統。
「我們使用的植物擬南芥具有很大的細胞和過氧化物酶體，我們可以用光學顯微鏡看到它們的內部，」拉爾夫和多蘿西·盧尼生物科學教授邦妮·巴特爾說。 「從種子到幼苗，過氧化物酶體都會變大。當植物依靠脂肪酸獲取能量時，一旦植物能夠進行光合作用，過氧化物酶體就會縮小到正常大小。”
PEX11 蛋白質有助於控制過氧化物的大小。
巴特爾的團隊專注於這些擴大的過氧化物酶體。具體來說，是一種名為 PEX11 的蛋白質。科學家早就知道 PEX11 在幫助過氧化物酶體分裂方面發揮作用。在《自然通訊》上發表的新研究中，該團隊發現這種蛋白質也有助於控制過氧化物酶體在植物早期發育過程中的擴張和收縮。
「過氧化物酶體與一些人類疾病有關，並用於生物工程，」該研究的第一作者、萊斯大學研究生內森·塔普說。它們很難研究。 」
使用 CRISPR 研究蛋白質複合物
了解蛋白質的一個常見策略是禁用負責製造該蛋白質的基因並觀察後果。這種情況下，情況就比較複雜了。 PEX11 由五個不同的基因產生。只打擾其中之一，效果甚微。但是移除所有五個就會殺死這棵樹。這使得確定蛋白質的功能變得困難。
為了解決這個問題，Tharp 使用先進的 CRISPR 技術選擇性地禁用五個基因的組合。
「我能夠利用 CRISPR 的最新進展來深入研究並破壞五個基因的特定組合，」薩普最近為他的論文辯護。 “就在那時，我們清楚地看到 PEX11 參與調節種子和幼苗階段之間過氧化物酶體的生長。”
巨型過氧化物酶體揭示生長調節機制
薩普設計了兩種突變植物。每種類型都缺乏 PEX11 基因的副本。然而，在這兩種情況下，過氧化物酶體都按預期在種子和幼苗階段之間擴展，而不是收縮回正常大小。有些仍然生長超出正常限值。在嚴重的情況下，過氧化物酶體從細胞的一端延伸到另一端。
這些突變細胞也缺乏囊泡。它是一種小通道膜結合物質，通常在脂肪酸加工過程中會在過氧化物內形成。在正常條件下，這些囊泡隨著過氧化物酶體的成熟而發育，並似乎去除了部分外膜。
「形成時攜帶膜碎片的囊泡可能有助於控制過氧化物酶體的生長，」薩普說。 “在我們的 PEX11 突變體中，這些囊泡要么不形成，要么異常小且罕見。因此，我們看到這些大的過氧化物酶體比正常情況大得多。”
這項發現不僅限於植物，還包括其他物種。
儘管研究重點是植物，但撒普想知道其他生物體中是否也存在同樣的機制。為了驗證這個想法，他將一種名為 Pex11 的蛋白質的酵母版本引入突變植物細胞中。
「我們將 Pex11 酵母插入突變植物細胞中，看看它是否可以使過氧化物酶體正常化，」Tharp 說。 “確實如此。”
這結果顯示 Pex11 在酵母菌中的功能與在植物中的功能相似。儘管進化距離遙遠，但情況仍然如此。因此，蛋白質可能在其他細胞類型中發揮類似的作用。包括人體細胞。
巴特爾說：“發現這種蛋白質在酵母和植物細胞中發揮相同的作用，這表明它可能是一種高度保守的蛋白質。我們在植物中的發現以相對容易研究的形式也適用於人類細胞和生物工程中使用的細胞。”
