PNAS∣鐘上威研究組揭示植物幼苗出土的新型蛋白質(zhì)調(diào)控機制
2020年7月21日，美國科學院院刊《PNAS》在線發(fā)表了北京大學生命科學院鐘上威實驗室題為“Allosteric deactivation of PIFs and EIN3 by microProteins in light control of plant development”的研究論文。該研究揭示出土幼苗通過兩個MicroProteins直接抑制關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)四聚化，快速啟動幼苗形態(tài)建成的轉(zhuǎn)變，適應出土前后環(huán)境劇變。
植物種子在土壤中萌發(fā)后，同時受到黑暗環(huán)境與土壤機械壓力的作用。出土前，植物幼苗下胚軸快速伸長，同時抑制子葉發(fā)育，減少土壤機械阻力，并在頂端形成彎鉤，保護頂端幼嫩分生組織免受土壤機械損傷。破土而出時，幼苗形態(tài)建成發(fā)生快速轉(zhuǎn)變，下胚軸伸長被抑制，子葉打開擴展，并消除頂端彎鉤，讓植物能接收更多的光照，實現(xiàn)出土后的光合自養(yǎng)生長。出土前后幼苗形態(tài)建成的快速轉(zhuǎn)變決定著幼苗能否存活，也是植物適應環(huán)境變化的典型例子。
在先前研究中，鐘上威實驗室鑒定到PIFs和EIN3/EIL1是介導土壤中植物幼苗形態(tài)建成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子（Shi et al., PNAS 2018）。這兩類轉(zhuǎn)錄因子的蛋白穩(wěn)定性受黑暗環(huán)境和土壤機械壓力正調(diào)控，共同維持出土前幼苗的形態(tài)建成。為了實現(xiàn)出土后幼苗形態(tài)發(fā)育的快速轉(zhuǎn)變，植物需要快速抑制PIFs和EIN3/EIL1的功能。先前研究發(fā)現(xiàn)光照能促進這兩類轉(zhuǎn)錄因子的蛋白降解。除調(diào)控土壤中幼苗形態(tài)建成外，PIFs和EIN3/EIL1對出土后生長的幼苗在應對多種環(huán)境變化，比如溫度、鹽脅迫和干旱脅迫等都具有重要調(diào)控作用。因此，出土幼苗既需要快速抑制這兩類轉(zhuǎn)錄因子的功能，又不能將其完全降解。但出土幼苗是怎樣解決這種兩難矛盾的分子機制尚不清楚。
Microproteins通過打破四聚化，直接抑制關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的蛋白功能
在本研究中，研究者首先發(fā)現(xiàn)PIFs和EIN3/EIL1能通過自身蛋白相互作用，形成四聚體。這種四聚體形式的蛋白復合體能大幅提高轉(zhuǎn)錄因子對下游基因啟動子的結(jié)合能力，促進對下游基因的調(diào)控作用。MicroProtins（微蛋白）是生物體內(nèi)廣泛存在的一類小蛋白，長度少于140個氨基酸，只含有一個蛋白質(zhì)相互作用區(qū)域。在動物中的研究，發(fā)現(xiàn)微蛋白在免疫和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、腫瘤發(fā)生等許多過程中都具有十分重要的調(diào)控作用。通過基因組序列分析，植物中發(fā)現(xiàn)有成百上千個可能的微蛋白，但這些微蛋白的功能與作用機制知之甚少。在出土幼苗暗轉(zhuǎn)光過程中，本課題研究者發(fā)現(xiàn)有兩個微蛋白，MiP1a和MiP1b，其基因表達被快速上調(diào)了近百倍。通過組織表達特異性分析，發(fā)現(xiàn)MiP1a/b的表達模式跟PIFs和EIN3/EIL1十分相似。體內(nèi)體外實驗發(fā)現(xiàn)MiP1a/b通過B-box區(qū)域與PIFs及EIN3直接相互作用，抑制PIFs和EIN3這兩類轉(zhuǎn)錄因子的自身蛋白相互作用，打破其四聚體結(jié)構(gòu)。組成型過表達MiP1a/b不調(diào)控PIFs或EIN3的蛋白穩(wěn)定性，但染色質(zhì)免疫沉淀實驗發(fā)現(xiàn)PIFs和EIN3對下游基因啟動子的結(jié)合被顯著抑制。通過降低PIFs和EIN3對下游基因啟動子的結(jié)合能力，MiP1a/b實現(xiàn)了對這兩類轉(zhuǎn)錄因子功能的快速抑制。通過遺傳分析，研究者發(fā)現(xiàn)MiP1a/b突變體呈現(xiàn)明顯減緩，而過表達呈現(xiàn)顯著增強的出土幼苗形態(tài)轉(zhuǎn)變表型。過表達PIFs和EIN3能顯著抑制出土幼苗的形態(tài)發(fā)育轉(zhuǎn)變，但該表型能被外源轉(zhuǎn)入的MiP1a/b回復到野生型。因此，MiP1a/b通過競爭性結(jié)合抑制PIFs和EIN3的四聚化，快速下調(diào)PIFs和EIN3的功能，促進出土后幼苗形態(tài)建成的快速轉(zhuǎn)變。
該研究首次揭示PIFs和EIN3以四聚體行使功能，并鑒定到兩個微蛋白MiP1a/b，在幼苗出土時被瞬時激活，直接結(jié)合抑制PIFs和EIN3的四聚化和功能，使得植物能在維持部分PIFs和EIN3蛋白的條件下，快速啟動出土后幼苗的形態(tài)建成轉(zhuǎn)變。由于微蛋白的高度保守性，后續(xù)研究可以通過組織特異性或者條件誘導性表達這兩個微蛋白，實現(xiàn)對PIFs和EIN3功能的精確調(diào)控，在植物學基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要應用潛力。
北京大學生命科學院鐘上威研究員為該論文通訊作者，吳青青博士為第一作者。首都師范大學施慧教授和碩士研究生匡坤燕在該研究中作出了重要貢獻。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃青年專項，國家自然科學基金，以及蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室的資助。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/07/20/2002313117
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