2018年6月13日，New Phytologist在线发表了北京大学生命科学学院蛋白质与植物基因研究国家重大实验室的秦跟基教授课题组题为“The Arabidopsis USL1 controls multiple aspects of plant development by affecting late endosome morphology”的研究论文。该论文揭示了一个内膜运输相关蛋白USL1通过影响生长素输出蛋白PIN1的极性定位不仅调控叶片发育也调控植物其他发育过程。

叶片不仅是植物的重要器官，其形态和大小也直接影响农作物的产量。植物研究领域一个非常重要的科学问题就是叶片的形态和大小是如何调控的。作为植物中的重要激素生长素在调控叶片发育过程中起到重要作用，而在细胞质膜上的生长素输出蛋白PIN1的极性定位在控制生长素的分布中起关键作用。已有研究发现反向运输复合体成员VPS29对于维持PIN1蛋白的极性定位进而控制生长素分布非常重要。但VPS29在植物中是如何调控的还很不清楚。

图1. 突变体usl1的表型和USL1的作用机制。A和B，usl1-1和usl1-2叶片发育具有相似的表型，都产生小而卷曲的叶片。C，在野生型拟南芥细胞中，USL1与PI3K形成复合体，调控晚期内吞体和反向运输复合体成员VPS29的功能，进而调控PIN1的极性定位和生长素的分布，从而调控叶片和其他器官的发育。D，在usl1突变体中，USL1的功能缺失导致晚期内吞体的形态由点状变成环状，影响了反向运输复合体的功能，进而影响PIN1的定位和生长素的分布，导致包括叶片在内的多个器官发育出现缺陷。

通过正向遗传学的方法，秦跟基课题组筛选到一个叶片小且卷曲的拟南芥突变体usl1（unflatten small leaves）（图1A和1B），深入分析发现该突变体的表型是由于T-DNA插入到USL1基因中使其失活造成。与多个内膜相关的标记蛋白共定位分析表明USL1定位在内膜运输中的晚期内吞体（late endosome）上，呈点状分布，这与调控PIN1蛋白极性定位的反向运输复合体成员VPS29相似，进一步分析表明USL1与VPS29共定位。非常有意思的是，在usl1突变体中，VPS29的定位以及晚期内吞体的形态由点状改变成环状，这说明USL1对于维持晚期内吞体的形态以及调控VPS29的功能发挥重要的作用。与USL1调控VPS29的功能相一致，usl1突变体的表型与vps29突变体的表型非常相似，不仅叶片变小不平整，而且植物的胚胎、侧根等发育都有缺陷。确实，正如vps29突变体中PIN1蛋白的极性定位不正常一样，usl1突变体中PIN1的蛋白定位明显有问题。该论文还进一步通过免疫共沉淀联合质谱鉴定（Co-IP/MS）以及其他细胞生物学的方法证明了USL1与VPS34、VPS15、VPS30共同形成PI3K蛋白复合体来调控VPS29和PIN1蛋白的极性定位。

该研究不仅发现了USL1与PI3K形成复合体调控反向运输复合体成员VPS29，而且也提供了一种可能的调控叶片形态和大小以及植物可塑性发育的分子机制（图1C和图1D）。即USL1的改变，直接影响了PI3K的功能，进而影响晚期内吞体的形态和生理作用，在晚期内吞体上起作用的反向运输复合体的功能自然受到影响，从而影响PIN1由内膜循环到细胞质膜上的效率，进而影响PIN1在细胞质膜上分布的位置和多少（图1C和图1D）。根据该作用机制，当USL1的表达和功能受发育信号和环境信号的微调时，可能影响到PIN1和生长素的分布，最终控制叶片形态和大小以及植物可塑性发育。该研究发现USL1表达具有特异性，说明USL1受发育信号的影响，未来对USL1是否受其他环境因素调控的研究将非常有意义。

秦跟基课题组博士生原荣荣为该论文的第一作者，秦跟基教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金创新群体、国家杰出青年基金以及北京大学蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

北京大学秦跟基课题组致力于通过研究叶片发育，寻找控制植物器官发育的重要共有保守调控机制。近年来通过分子遗传学和生化分析发现了多个基因在调控叶片发育中起重要作用，其中包括该课题组发现的转录因子、转录抑制因子和E3泛素连接酶形成TCP/TIE/TEAR调控模块来精细调控叶片、分枝和胚珠发育的新机制（Plant Cell, 2013; Cell Research, 2015; Plant Cell, 2017; PloS Genetics, 2018）