農(nóng)學(xué)院潘榮輝研究員與合作者在Plant Journal發(fā)表論文揭示過(guò)氧化物酶體蛋白的定位信號(hào)特征
近日，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院潘榮輝研究員團(tuán)隊(duì)在The Plant Journal發(fā)表了題為Defining upstream enhancing and inhibiting sequence patterns for plant Peroxisome Targeting Signal type 1 using large-scale in silico?and in vivo?analyses的研究論文。該團(tuán)隊(duì)與浙大數(shù)據(jù)科學(xué)中心蔣杭進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)和密歇根州立大學(xué)的胡劍平教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)大規(guī)模的統(tǒng)計(jì)學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，揭示了位于已知過(guò)氧化物酶體基質(zhì)蛋白1型信號(hào)肽（Peroxisome Targeting Signal type 1，PTS1）上游的重要定位信號(hào)及其序列特征，解釋了為何很多含有PTS1的蛋白不能定位于過(guò)氧化物酶體，以及為何PTS1能存在大量變異形式這兩個(gè)長(zhǎng)期存在的重要問(wèn)題。
細(xì)胞器通過(guò)化學(xué)環(huán)境和底物可及性，決定代謝途徑的功能。蛋白的亞細(xì)胞定位對(duì)其生理功能有關(guān)鍵影響。過(guò)氧化物酶體是代謝功能異常豐富的細(xì)胞器，在植物的光呼吸、脂肪酸與氨基酸代謝、激素代謝、活性氧代謝、輔酶合成、嘌呤代謝中發(fā)揮重要功能。而且，過(guò)氧化物酶體的代謝功能和蛋白組成常具有物種和組織特異性。過(guò)氧化物酶體與作物產(chǎn)量和抗性密切相關(guān)，其功能缺陷會(huì)降低植物光合，削弱抗病蟲(chóng)能力，造成發(fā)芽抑制、配子不育、胚胎死亡等（Pan et al., New Phytologist, 2020; Pan et al., JIPB, 2019）。因此，研究植物過(guò)氧化物酶體的蛋白組成和代謝網(wǎng)絡(luò)有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
絕大部分過(guò)氧化物酶體基質(zhì)蛋白含有位于C端的PTS1信號(hào)，也有少數(shù)蛋白含有靠近N端的PTS2信號(hào)。在后基因組時(shí)代，可以通過(guò)生信工具來(lái)預(yù)測(cè)蛋白的PTS，但是當(dāng)前PTS信號(hào)肽的規(guī)律還遠(yuǎn)未被充分認(rèn)識(shí)，限制了預(yù)測(cè)精度。比如還不能明確解釋為何大量含有PTS1的蛋白并不能定位于過(guò)氧化物酶體，以及PTS1為何存在大量變異形式且依然能發(fā)揮過(guò)氧化物酶體定位功能。此外，當(dāng)前植物合成生物學(xué)興起，過(guò)氧化物酶體作為主要的多功能代謝細(xì)胞器是潛在的生物反應(yīng)器，對(duì)其蛋白定位信號(hào)的序列特征的充分研究也有助于在植物代謝工程中設(shè)計(jì)改造過(guò)氧化物酶體代謝通路。
為了揭示植物PTS1未知的序列特征，在本研究中，作者利用了上百種植物物種的蛋白組序列進(jìn)行了大規(guī)模深入的統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析，揭示了大量PTS1變異形式，并且發(fā)現(xiàn)在已知PTS1信號(hào)肽的上游序列中存在增強(qiáng)過(guò)氧化物酶體定位和抑制過(guò)氧化物酶體定位的信號(hào)序列（Targeting Enhancing/Inhibiting Pattern）。其中，氨基酸的極性和電荷是主要的影響因素。在上游序列中，緊鄰PTS1的三個(gè)殘基發(fā)揮核心作用，并以“堿性-非極性-堿性”為最強(qiáng)的增強(qiáng)模式。本研究接近完整定義了過(guò)氧化物酶體主要定位信號(hào)，為開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的過(guò)氧化物酶體蛋白預(yù)測(cè)算法和構(gòu)建過(guò)氧化物酶體人造代謝通路提供了理論基礎(chǔ)。
浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院的潘榮輝研究員、浙江大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心的蔣杭進(jìn)研究員、密歇根州立大學(xué)的胡劍平教授為本文的共同通訊作者，潘榮輝團(tuán)隊(duì)的博士生鄧倩文和博士后馮彥磊，以及浙江大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心的碩士生李鶴為本文的共同第一作者。本研究得到了浙江省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才引進(jìn)項(xiàng)目、浙大杭州國(guó)際科創(chuàng)中心青年人才卓越計(jì)劃、浙大百人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省教育廳科研基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/tpj.15840
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