生长素极性运输和钙信号传导的新型调控因子CPK29

生长素通过极性运输（Polar auxin transport, PAT）调控植物的生长和发育。PIN蛋白可以运输生长素，其在细胞膜上的极性定位直接影响了生长素的功能【1】，PIN蛋白结构上中间含有一个被五个跨膜螺旋保卫的亲水环（Hydrophilic loop, HL），HL结构域的翻译后修饰，如磷酸化、泛素化等，可以影响PIN蛋白的跨膜运输【2,3】。根据报道，至少有三个家族的蛋白参与了磷酸化修饰PIN蛋白的HL结构域，包括AGC类蛋白激酶、分裂素活化蛋白激酶（MPKs）和钙信号依赖的蛋白激酶相关蛋白（CRK5）等【4-6】。其中AGC类蛋白激酶研究的最深入，其磷酸化位点也比较清楚，但是植物对生长素的响应和PIN蛋白调控生长素分布受细胞内外多种因素的调控，尚有许多未知的机制需要进一步探索。

近日，韩国首尔大学Hyung-Taeg Cho教授团队在The Plant Cell杂志发表了题为CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 29 modulates PIN-FORMED polarity and Arabidopsis development via its own phosphorylation code的研究论文，通过蛋白互作筛选到一个可以磷酸化PIN蛋白HL结构域的钙信号相关蛋白CPK29（Ca2+-dependent protein kinase），并揭示了其影响PIN蛋白膜定位极性进而调控植物发育的重要功能。

该研究首先用PIN2-HL作为诱饵进行体外pulldown检测筛选，鉴定到钙离子依赖型蛋白激酶CPK29，并且发现CPK29也可以和PIN1/PIN3的HL结构域互作；在体外磷酸化检测实验中，研究发现钙离子的存在可以增强CPK29的自我磷酸化和对PIN蛋白HL结构域的磷酸化，经过一系列体外磷酸化检测，鉴定到多个CPK29的磷酸化和自磷酸化位点，其中S446位点在CPK家族发挥激酶调节活性过程中可能发挥重要功能。

CPK29主要定位于细胞膜，而且CPK29可以和PIN2在细胞膜上发生相互作用。CPK29功能丧失或者其在PIN-HL上的磷酸化位点突变后，胞内PIN蛋白的转运和表现极性的能力会显著下降，使得PIN相关的生长素再分布受到影响，进而影响了多个植物发育活动，包括侧根的生成、根的弯曲、下胚轴向重力性、叶序及生殖发育等。

综上所述，该研究揭示了CPK29可能通过调节内外源钙离子信号的传导，进而影响PIN蛋白的转运和生长素响应植物发育的机制，加深了人们对生长素和钙信号调控网络的理解，为进一步深入研究生长素和钙信号调控植物生长发育开拓了思路。

参考文献：

【1】Kleine-Vehn, J. and Friml, J. (2008). Polar targeting and endocytic recycling in auxin-dependent plant development. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 24:447–473. 

【2】Křeček, P., Skůpa, P., Libus, J., Naramoto, S., Tejos, R., and Friml, J. (2009). The PIN-FORMED (PIN) protein family of auxin transporters. Genome Biol. 10:249.

【3】Ganguly, A., Sasayama, D., and Cho, H-T. (2012b). Regulation of the polarity of protein trafficking by phosphorylation. Mol. Cells 33:423–430.

【4】Armengot, L., Marques-Bueno, M.M., and Jaillais, Y. (2016). Regulation of polar auxin transport by protein and lipid kinases. J. Exp. Bot. 67:4015-4037.

【5】Barbosa, I.C.R., Hammes, U.Z., and Schwechheimer, C. (2018). Activation and polarity control of PIN-FORMED auxin transporters by phosphorylation. Trends Plant Sci. 23:523-538. 

【6】Hammes, U., Murphy, A.S., and Schwechheimer, C. (2021). Auxin transporters - A biochemical view. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. doi: 10.1101/cshperspect.a039875