生物通报道：来自中科院植物研究所，北京大学等处的研究人员发表了题为“Single-Molecule Analysis of PIP2;1 Dynamics and Partitioning Reveals Multiple Modes of Arabidopsis Plasma Membrane Aquaporin Regulation”的文章，从中取得了植物活细胞膜蛋白动态的单分子研究新进展，这一研究成果公布在《The Plant Cell》杂志上。

文章的通讯作者是植物研究所林金星研究员，林金星研究组的博士研究生李晓娟和助理研究员王晓华为该论文的共同第一作者。这项研究得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

水分子能够从机体外部环境通过细胞膜进入细胞并参与生命活动，其70%的跨膜运输通过特定膜蛋白——水通道蛋白完成。自植物水通道蛋白发现以来，研究人员已初步阐明了该蛋白的结构和功能。然而，对于蛋白在活细胞质膜表面的定位分布以及胞内转运动态尚不清楚。

在这篇文章中，研究人员应用隐失波显微镜（EWM）和荧光相关光谱技术（FCS），结合单颗粒追踪分析技术，在单分子水平上对拟南芥幼苗根表皮细胞质膜水通道蛋白（PIP2;1）进行了活体动态分析。

研究发现，PIP2;1在细胞质膜上存在多种运动模式，而且扩散系数分布范围较广，证实PIP2;1在细胞质膜上的运动和分布具有非均一性的特点。更重要的是，该蛋白可以在毫秒内通过侧向运动进入特定的质膜微区，在微区内实现快速的活性调控。通过单分子共定位和荧光交叉相关光谱分析发现，在正常条件下，PIP2;1主要通过对酪氨酸磷酸化抑制剂（tyrphostin A23）敏感的笼形蛋白（clathrin）依赖途径进行内吞；在高渗胁迫时，PIP2;1内吞加剧，脂筏（membrane raft）介导的内吞途径被激活，协同参与PIP2;1的内吞。

这项项工作首次在植物活细胞中，实现了在单分子水平上分析单个蛋白的分布、聚合状态、内吞过程及其调控之间的联系，揭示了不同内吞途径参与多元调控PIP2;1蛋白活性的新机制。

原文摘要：

Single-Molecule Analysis of PIP2;1 Dynamics and Partitioning Reveals Multiple Modes of Arabidopsis Plasma Membrane Aquaporin Regulation

PIP2;1 is an integral membrane protein that facilitates water transport across plasma membranes. To address the dynamics of Arabidopsis thaliana PIP2;1 at the single-molecule level as well as their role in PIP2;1 regulation, we tracked green fluorescent protein–PIP2;1 molecules by variable-angle evanescent wave microscopy and fluorescence correlation spectroscopy (FCS). Single-particle tracking analysis revealed that PIP2;1 presented four diffusion modes with large dispersion of diffusion coefficients, suggesting that partitioning and dynamics of PIP2;1 are heterogeneous and, more importantly, that PIP2;1 can move into or out of membrane microdomains. In response to salt stress, the diffusion coefficients and percentage of restricted diffusion increased, implying that PIP2;1 internalization was enhanced. This was further supported by the decrease in PIP2;1 density on plasma membranes by FCS. We additionally demonstrated that PIP2;1 internalization involves a combination of two pathways: a tyrphostin A23-sensitive clathrin-dependent pathway and a methyl-β-cyclodextrin–sensitive, membrane raft–associated pathway. The latter was efficiently stimulated under NaCl conditions. Taken together, our findings demonstrate that PIP2;1 molecules are heterogeneously distributed on the plasma membrane and that clathrin and membrane raft pathways cooperate to mediate the subcellular trafficking of PIP2;1, suggesting that the dynamic partitioning and recycling pathways might be involved in the multiple modes of regulating water permeability.

作者简介：

林金星，1961年3月出生，福建龙岩人，博士，首席研究员。现任植物分子与发育生物学研究中心主任。

研究方向
　 　
植物细胞与生殖生物学
　 　
学习、工作经历 　
　 　
1992年获北京大学理学博士（导师：李正理教授），1992-1994年进入中国科学院植物研究所博士后流动站工作 （合作导师：王伏雄院士）。1995年晋升为研究员，1996年获得博士生导师资格。“国家杰出青年基金”获得者，中国科学院“****”入选者。
　
学术与社会任职
　
现在担任全国政协委员、北京市政协委员、北京植物学会理事长，兼任南开大学、中国科大研究生院、北京师范大学、东北师范大学等兼职教授，《Plant Signaling and Behavior》副主编 、《Communicative and Integrative Biology》编委、《科学通报》特约编委、《植物学报》副主编、《植物科学进展》副主编、《电子显微学报》副主编、《植物学通报》编委、中国植物学会植物结构与生殖生物学专业委员会主任等、国家自然科学基金委员会植物学科评审组成员、《中国青年科技奖》评审组成员。
　
成果与奖励
　
1996年获第五届“中国青年科技奖”。
　
承担项目
 
近五年来，主持国际组织资助项目2项，从国外获得经费16.8万美元；主持国家自然科学基金重点项目1项， 科技部国际合作重点项目1项，973 子课题1项；另外，参加其他课题3项。

 

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