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植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化途径研究进展

欧斯艳 张亚楠 王金祥

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植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化途径研究进展

    作者简介: 欧斯艳 E-mail:13414938766@163.com;
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31572184);广东省自然科学基金项目(2017A030313102034)。

Advances in protein ubiquitination in response to low phosphorus stress in plants

  • 摘要: 磷是构成许多关键性大分子的重要底物,在植物体内许多生理生化反应中都发挥着重要作用,磷供应不足会极大地限制作物的产量和品质。在漫长的进化过程中,植物形成了一系列适应低磷胁迫的机制,其中,蛋白质水平的泛素化修饰对植物响应低磷胁迫起重要作用。泛素化修饰可以改变靶蛋白的活性、稳定性及其在亚细胞的定位等。本文对关键蛋白的泛素化修饰在植物低磷胁迫响应中的调控功能和机制进行归类总结,综述植物蛋白质泛素化途径调控低磷胁迫的研究进展。蛋白质泛素化修饰研究主要从泛素、酶和靶蛋白三个组分方面进行。泛素由76个氨基酸组成,并以逐步共轭级联的方式与靶蛋白相连,形成泛素-蛋白质复合体,该复合体被运输至26S蛋白酶体内消化与降解,从而调控众多生理过程。蛋白质泛素化修饰通过改变根系形态构型、影响磷转运子和转录因子的活性和定位,从而促进或抑制植物对土壤磷的吸收以及向地上部的运输,进而调节磷稳态。最后,提出了对植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化需要进行的研究。
  • 表 1  低磷胁迫响应相关的泛素化系统组分

    Table 1.  Components of ubiquitination system related to response to low phosphorus stress

    底物 SubstrateE2E3参考文献Reference
    AUX/IAA抑制因子Inhibitory factorTIR1[33]
    PIN2Lys63-linked[34-35]
    BES1、D53MAX2[38-40]
    PHR1SIZ1[41]
    PUB9[45]
    PHT1;4、ORE1NLA[68-70]
    PHO1、PHT1;1、PHT1;4PHO2[68, 70, 73, 77]
    OsPT2、OsPT8OsNLA1[71]
    OsGIOsPHO2[72]
    WRKY6PRU1[79]
    OsSPX4OsSDEL1、OsSDEL2[82]
    OsSPX4OsNBIP1[86]
    AtATL80[87]
    AtFBX2[89]
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  • 收稿日期:  2020-03-08

植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化途径研究进展

    作者简介:欧斯艳 E-mail:13414938766@163.com
  • 华南农业大学资源环境学院/根系生物学中心,广东广州 510642
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31572184);广东省自然科学基金项目(2017A030313102034)。
  • 摘要: 磷是构成许多关键性大分子的重要底物,在植物体内许多生理生化反应中都发挥着重要作用,磷供应不足会极大地限制作物的产量和品质。在漫长的进化过程中,植物形成了一系列适应低磷胁迫的机制,其中,蛋白质水平的泛素化修饰对植物响应低磷胁迫起重要作用。泛素化修饰可以改变靶蛋白的活性、稳定性及其在亚细胞的定位等。本文对关键蛋白的泛素化修饰在植物低磷胁迫响应中的调控功能和机制进行归类总结,综述植物蛋白质泛素化途径调控低磷胁迫的研究进展。蛋白质泛素化修饰研究主要从泛素、酶和靶蛋白三个组分方面进行。泛素由76个氨基酸组成,并以逐步共轭级联的方式与靶蛋白相连,形成泛素-蛋白质复合体,该复合体被运输至26S蛋白酶体内消化与降解,从而调控众多生理过程。蛋白质泛素化修饰通过改变根系形态构型、影响磷转运子和转录因子的活性和定位,从而促进或抑制植物对土壤磷的吸收以及向地上部的运输,进而调节磷稳态。最后,提出了对植物响应低磷胁迫的蛋白质泛素化需要进行的研究。

    English Abstract

    • 磷是植物生长发育所必需的大量元素。磷不仅是许多关键性大分子的重要成分,而且在细胞信号转导、光合作用以及许多酶促反应中发挥重要作用[1-2]。植物生长发育所需的磷主要是从土壤中吸收获得,然而土壤中部分磷会与铁、钙等离子结合,形成难溶的螯合物,因此土壤中可被植物吸收的有效磷含量较低,难以满足植物生长的正常需求[1, 3]。虽然大量施用磷肥可以保证和增加可利用磷,但过度的施用磷肥会增加成本,且污染环境。因此提高植物对土壤磷的吸收利用效率显得尤为重要。植物在漫长进化过程中,已具有一系列适应低磷胁迫的机制,包括根系构型的重建、促进根系分泌物的分泌以及根际微生物与根系的互作等[4-6]。近年来,越来越多的研究表明,植物在基因转录、基因转录后蛋白质翻译以及蛋白质翻译后水平应答低磷胁迫。

      蛋白翻译后水平的调控主要包括泛素化 (ubiquitination)、磷酸化 (phosphorylation)、相素化 (small ubiquitin-related modifier,SUMO) 等。已有研究证明,泛素化在调节植物应答低磷胁迫方面起重要作用[7]。本文对泛素化在调节植物低磷胁迫响应中的功能和调控机制进行了总结,包括26S蛋白酶体介导的蛋白质降解,非26S蛋白酶体介导的通过内吞和自噬的降解;分析了植物适应低磷胁迫的泛素化调控途径,并讨论了未来低磷胁迫相关的蛋白泛素化修饰研究方向。

      • 通过26S蛋白酶体途径降解泛素依赖性蛋白质是所有真核生物细胞调节的重要机制[8]。蛋白质泛素化修饰可以改变靶蛋白的活性、稳定性和定位[9-10]。参与泛素化修饰的成员主要有三种,分别为泛素 (ubiquitin,Ub)、酶和靶蛋白。泛素由76个氨基酸 (8 kD蛋白) 组成,并以逐步共轭级联的方式与靶蛋白相连。这个级联反应是由三种不同的酶催化的,分别为泛素激活酶E1 (ubiquitin-activating enzyme,E1)、泛素结合酶E2 (ubiquitin-conjugating enzyme,E2)、泛素连接酶E3 (ubiquitin-ligase protein,E3) 。首先,E1以ATP依赖的方式激活泛素的甘氨酸,形成泛素-腺苷酸中间体,接着泛素转移到E1的半胱氨酸残基上;然后E2接受泛素,形成E2泛素巯基酯;E3能够特异地识别并连接靶蛋白,形成泛素-蛋白质复合体。最后,该复合体被运输到 26S 蛋白酶体内降解,从而调控许多生理过程[11]。在这个途径中,泛素化的靶蛋白特异性由E3泛素连接酶决定,因此包含多种亚型[12]。根据其亚基组成可分为单亚基和多亚基两大类,RING、HECT (Homology to E6-AP C-Terminus,HECT) 以及PUB (Plant U-box,PUB) 连接酶由单个亚基组成;而SCF、CUL4-DDB1连接酶由多个亚基组成[13-16]。据报道,模式植物拟南芥表达2个E1,至少37个E2和可能超过1400个不同的E3。显然如此庞大和复杂的泛素/26S蛋白酶体可以调控众多细胞蛋白的降解,在细胞生理活动中起重要作用[17-19]

        自噬也是细胞的一种调节机制,能分解不必要或功能失调的成分,使细胞成分和营养物质有序降解、循环和再活化[20-21]。Ub-like蛋白ATG8与膜脂磷脂酰乙醇胺 (PE) 的结合和活化是形成自噬体的必要条件。泛素化蛋白可被自噬受体的Ub结合蛋白p62招募,并靶向选择性自噬[22]。内质网应激 (endoplasmic reticulum stress) 是指应激条件影响内质网中蛋白质的正常加工和折叠,导致内质网中未折叠和错误折叠的蛋白质积聚,损害其功能,引起内质网应激。内质网应激激活未折叠蛋白反应,增加参与蛋白质折叠的分子伴侣的产生[23-24]

        此外,植物中也存在去泛素化蛋白酶家族 (deubiquitination enzymes,DUBs) ,DUB能够专门去除共价结合的泛素。DUBs有助于调节泛素/26S蛋白酶体途径,其从最初的翻译产物中产生去泛素基团,在泛素-蛋白质降解期间回收泛素,或从特定靶点去除泛素,从而防止某些蛋白质被26S蛋白酶体降解[25]。在拟南芥中,存在32个DUB基因,它们可以分成2个不同的亚家族[26-27],但其功能到目前还不是很清楚。

      • 根系是植物从土壤中吸收水分和养分的主要器官,且植物能够通过感受土壤中磷水平的变化来调控植物的形态构型[28-29]。在低磷条件下,大多数植物侧根数、根毛数都会显著增加[30],从而增加植物根系从表层土壤吸收磷的能力。植物低磷胁迫下的根系构型重塑与植物激素信号转导密切相关,而在此过程中,蛋白泛素化修饰起重要作用。

        植物根系形态对低磷胁迫的响应主要受生长素 (Auxin)、细胞分裂素 (CTKs)、赤霉素 (GA) 等激素和一系列基因表达的调控,其中生长素信号转导是根系形态构型的核心调控因子[31-32]。在低磷条件下,生长素受体TIR1(TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1,TIR1) 在中柱鞘细胞中的表达增加,并编码形成SCF复合型E3连接酶的F-box蛋白,导致AUX/IAA抑制因子的降解。这进一步使得转录因子ARF19和其它可能已经结合到AuxREs的ARFs激活或抑制生长素响应基因的表达,调节侧根的生长[33]。此外,在低磷条件下,由Lys63 泛素化介导调节生长素转运体PIN2 (PIN-FORMED 2,PIN2) 在质膜的分布,从而导致局部生长素的重新分布[34]。而且,已发现拟南芥pin2突变体以及PIN转运相关蛋白突变体tir3对低磷的敏感性较低,表明PIN2的Lys63泛素化在低磷条件下对拟南芥的根系形态构型具有特异性和重要意义[35]。但是,基于PIN的生长素分布也可能依赖于非生长素激素信号转导途径。例如,CTK可以改变PIN的极性,从而促进生长素向新形成的侧根原基顶端移动,进一步促进侧根的形成[36]。另一方面,茉莉酸 (JA) 和油菜素内酯 (BR) 信号通路介导PIN转运蛋白和生长素分布[37]。除此之外,在BR信号通路中,转录因子BES1 (BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1,BES1) 被F-box蛋白MAX2 (MORE AXILLARY BRANCHES 2,MAX2) 泛素化,而突变体bes1-D对缺磷不敏感,在低磷胁迫下保持正常的根系形态[38-39]。值得注意的是,在独脚金内酯 (SL) 信号转导途径中,MAX2可泛素化阻遏蛋白D53,并在低磷条件下使主根变短和侧根数量减少[40]

        研究表明,SIZ1是参与蛋白SUMO修饰的关键酶,与野生型拟南芥 (Col-0) 相比,在低磷胁迫下,T-DNA插入突变体siz1对主根生长的抑制作用增强且侧根的发育更为明显;最后证明SIZ1作为一种SUMO E3 连接酶介导PHR1 (PHOSPHATE RESPONSE 1,PHR1) 的类泛素化从而调节拟南芥根系形态构型[41]。在水稻中,与野生型相比,ossiz1突变体中的总磷和总氮含量显著增加,在磷充分条件下,ossiz1突变体的木质部汁液中磷浓度也显著高于野生型。此外,qRT-PCR分析显示,在ossiz1突变体中,参与低磷胁迫响应信号和氮转运与同化的多个基因的表达发生了改变,这些结果表明,ossiz1可能是水稻磷-氮依赖性反应的调节因子[42]

        在拟南芥中,PUB9是一个包含U-box结构域的E3泛素连接酶,在除了叶的几乎其他所有组织中均有表达[43]。ARK1、ARK2和M-位点蛋白激酶能够使PUB9磷酸化,导致PUB9细胞核到细胞质的再定位[44]。 ARK2和PUB9的相互作用导致了PUB9在自噬体中的积累;pub9-1/ark2-1双突变体株系在缺磷条件下侧根数明显减少,且其主根和侧根尖端的生长素积累明显降低[45]。这表明在低磷条件下,ARK2-PUB9模块调节根尖中生长素积累,ARK2对PUB9的激活可导致生长素阻遏物的泛素化,随后通过选择性自噬过程靶向自噬体降解。但PUB9到底泛素化修饰哪些靶蛋白还不清楚。

        总之,在植物激素信号途径中,泛素/26S蛋白酶体途径以及细胞自噬对植物低磷胁迫下的根系形态构型重塑有重要影响。

      • 低磷条件下,植物根系形态构型的重建是为了提高磷的吸收和利用效率,而磷的吸收主要与磷转运子相关。其中,PHTs (PHOSPHATE TRANSPORTERs,PHTs) 是研究最为广泛和深入的磷转运子。根据其功能差异和亚细胞定位,可将PHTs分为4个亚族:PHT1、PHT2、PHT3和PHT4[46-47]。PHT1亚家族成员最多,它们在土壤磷吸收方面起着至关重要的作用。其他3个PHT亚家族鲜有报道,它们被认为是细胞器磷转运体,在维持磷稳态方面也有重要作用[48]

      • PHT1家族是一类高亲和力磷转运体,负责在根系吸收磷,受多种翻译后修饰以精确调节其在细胞内的蛋白质水平[49]。在拟南芥和水稻基因组中,PHT1家族分别有9个和13个成员。其中,已有5个拟南芥PHT1成员 (AtPHT1;1/4/5/8/9) 通过异源表达系统、突变体 (系) 和转基因系进行了功能鉴定[50-55]。在水稻中,除了OsPHT1;3/5/7/12外,所有的PHT1基因都被详细研究过,其中大部分与磷的吸收或转运有关[56-60]。PHT1s是一类膜蛋白,必须定位在质膜上才能在磷转运中发挥作用。PHT1蛋白最初在内质网进行正确的折叠和修饰,然后从高尔基体向质膜进行转运。植物特异性SEC12-like蛋白PHF1 (PHOSPHATE TRANSPORTER TRAFFIC FACILITATOR 1,PHF1) 是内质网囊泡形成或出芽所必需的,专门调节PHT1;1的亚细胞定位。PHF1突变导致PHT1;1的内质网滞留,减少PHT1;1质膜的积累[61]。除此之外,PHT1s的磷酸化状态与其亚细胞定位和蛋白质水平密切相关。例如,在磷充足的条件下,水稻中的蛋白激酶OsCK2 (CASEIN KINASE,CK2)、全酶 (CK2α3/β3) 磷酸化OsPT8 (PHT1;1的同系物) 中的丝氨酸,并抑制OsPHF1和OsPT8之间的相互作用以将OsPT8保留在内质网中,最终降低了对磷的吸收。相反,在缺乏磷的条件下,26S蛋白酶体对CK2/β3亚基进行降解,在OsPHF1的协助下,未磷酸化的OsPT8向质膜转运,这增加了磷的吸收并维持细胞磷的稳态[62]。虽然还没有在拟南芥中发现PHT1;1的激酶,但由于拟南芥的PHT1;1和水稻中PHT1s的CK2磷酸化位点是保守的,并且与磷酸化状态相关的PHT1;1从内质网输出也在拟南芥中是保守的,所以拟南芥中也可能存在类似的机制[63]

      • 在拟南芥中,miR399s和miR827的靶基因分别编码一个E2泛素结合酶PHO2/UBC24和一个SPX-RING 家族E3泛素连接酶NLA,它们是PHT1s泛素化的关键调控因子。研究发现,在拟南芥的PHT1家族中,PHT1;1、PH1;2、PHT1;3 和PHT1;4的蛋白水平在pho2突变体的根中显著增加。PHO2是定位于内膜系统的蛋白,但是它没有跨膜螺旋结构域,翻译后修饰位点预测也没有表明PHO2锚定于内膜系统。但蛋白互作研究证明PHO2与其它蛋白质互作发生在内质网。已有研究揭示,PHO2与PHT1;1和PHT1;4在内质网互作,pho2突变体内膜中PHT1;1/2/3的泛素化减少。这些结果表明PHO2通过在早期分泌途径中泛素化修饰PHT1s,从而在PHT1s到达质膜之前定向降解PHT1蛋白[64]。另外,在低硝酸盐和高磷条件下,拟南芥的nla突变体的磷含量较野生型高,说明NLA参与了磷的吸收[65]。随后的研究证实,NLA主要定位于质膜,nla突变体中PHT1s的内吞作用和泛素化水平减少;NLA和PHT1s (包括pHT1;1和pHT1;4) 在质膜中发生互作[66]。这表明NLA引导PHT1s的泛素化,泛素化的PHT1s从质膜上内吞并通过多泡体分类途径运输到液泡进行降解。值得注意的是,NLA和PHO2的亚细胞定位不同,但nla pho2双突变体中PHT1s的蛋白水平和磷含量显著高于单突变体,它们的协同效应表明NLA与PHO2独立但协同地调节PHT1s的蛋白水平[67]。然而,后来的研究表明,NLA可以与PHO2协同作用,特异性地将PHT1;4 (PT2) 而不是PHT1;1 (PT1) 进行泛素化,并通过26S蛋白酶体降解PHT1;4[68]。虽然体内和体外试验都表明NLA在细胞核与UBC8相互作用[69],但有研究表明是PHO2而不是UBC8在NLA自泛素化和NLA介导的PHT1;4泛素化方面表现出E2泛素结合酶活性[68]。此外,26S蛋白酶体抑制剂MG132可以抑制PHT1;4的降解,这进一步说明了PHO2与NLA通过26S蛋白酶体途径介导PHT1;4的泛素化和降解[70]

        在水稻中,突变体osnla1的叶片中磷浓度显著增加。而且,OsNLA1的过表达或对OsPT2/PT8的抑制作用,可以使osnla1叶片中较高的磷浓度恢复至野生型植株相似水平。除此之外,泛素化所需的OsNLA1中第265个半胱氨酸残基的突变抑制了OsPT2/PT8的降解,说明OsNLA1的确靶向OsPT2/PT8;而且OsNLA1通过泛素化途径介导OsPT2和OsPT8的降解而参与维持水稻体内的磷稳态;但和拟南芥不同的是,水稻NLA1和PHO2之间没有相互作用[71]。是否存在其它的E2参与水稻NLA对PT2/PT8的泛素化降解需要今后深入的研究。低磷胁迫延迟植物开花,在低磷条件下,OsPHO2与OsGI (GIGANTEA,GI) 相互作用并介导OsGI的泛素化,这两个基因在生长延缓、延迟开花和磷积累方面表现出相似的功能[72],这在分子层面上部分揭示了低磷胁迫延迟植物开花的机理。最近还有研究表明,在缺氮条件下,拟南芥中的NLA与PHO2通过26S蛋白酶途径介导ORE1 (ORESARA 1,ORE1) 的降解,从而调节叶片衰老[73]。这些结果揭示了PHO2-NLA模块介导的蛋白质泛素化修饰降解在应答营养胁迫方面的多重作用,表明蛋白质泛素化修饰在植物响应磷营养胁迫方面作用复杂。

      • 磷转运子PHO1家族蛋白负责将磷从植物的根系向地上部转移,以及低磷条件下磷从老叶向幼叶的再分配。 PHO1也受泛素化的调节。拟南芥PHO1家族中有11个成员,其中PHO1是主要的成员;PHO1包含一个SPX结构域,对磷在根的木质部装载中起着关键作用[74-75]。在拟南芥中,突变体pho1的全部地上组织中磷含量都非常低[76]。拟南芥PHO1的蛋白质水平在突变体pho2中增加,而这种积累在PHO2抑制剂的处理下下降。同时,利用烟草 (Nicotianatabacum) 叶片的瞬时表达系统,证明了PHO1和PHO2是部分共同定位的,它们在内膜中相互作用,而且PHO2的泛素结合活性是PHO1降解所必需的。环己酰胺和内质体半胱氨酸蛋白酶抑制剂E-64 D的处理进一步表明,PHO1通过内质网转运途径在液泡内降解[77]。然而,E3泛素连接酶在PHO1泛素化中的作用尚不清楚。

      • 低磷胁迫响应的转录调控涉及许多转录因子,包括MYB、WRKY和bHLH家族成员。这些转录因子调控着植物的磷信号和磷稳态,这些转录因子本身受泛素化修饰调节。研究表明,WRKY家族转录因子WRKY6WRKY42过表达系与拟南芥突变体pho1表型相似,对低磷胁迫更敏感,与野生型植株相比磷含量更低。而且,PHO1的表达在WRKY42过表达系中被抑制,却在wrky42 wrky6双突变体中表达增强。进一步研究表明,WRKY6和WRKY42与PHO1启动子中的W-box元件结合并在正常生长条件下抑制PHO1转录[78]。蛋白质凝胶印迹分析表明,26S蛋白体抑制剂MG132抑制了低磷处理引起的WRKY6和WRKY42蛋白的减少,表明WRKY6和WRKY42的蛋白水平通过26S蛋白酶体降解而降低,从而解除对PHO1转录的抑制作用[79]。最近研究揭示:F-box蛋白PRU1与WRKY6相互作用并将其泛素化,PRU1在低磷条件下被诱导,PRU1与WRKY6的C末端特异性地相互作用以促进其降解[80]。有意思的是,拟南芥WRKY6和WRKY42在调节PHO1表达方面具有冗余功能,但PRU1与WRKY6特异性地相互作用而不与WRKY42发生作用;WRKY42在调节PHT1;1转录方面也不同于WRKY6,两者在调节磷吸收和转运方面作用相反[79]。WRKY42是由哪些E3酶进行泛素化修饰还不清楚。

        拟南芥AtPHR1 (PHOSPHATE STARVATION RESPONSE 1,AtPHR1) 及其水稻同源基因OsPHR2是磷稳态的核心转录因子,因为它们能通过顺式作用元件P1BS结合到PSI(phosphate starvation-induced,PSI) 基因的启动子上,如PHT1sPHO1的同源基因PHO1;H1[81-82]AtPHR1编码一个MYB-CC家族转录因子,大多数PSRs (PHOSPATE STARVATION RESPONSE proteins,PSRs) 基因 (包括PSI基因) 在Atphr1突变体中转录不受低磷诱导,而且PHR1突变导致花青素、糖和淀粉的积累以及磷含量失调[83]。PHRs在磷信号传导中起重要作用,其转录活性仅受SYG/Pho81/XPR1 (SPX) 结构域蛋白的负调控。SPXs通过其SPX结构域与OsPHR2相结合,并在磷充足条件下抑制其入核与P1BS元件的结合[84-85]。SPX也受到泛素化修饰调节。水稻SDEL1和SDEL2是分别含有CHY zinc-finger和RING-finger结构域的E3泛素连接酶。最近有研究表明,在磷充足条件下,水稻SPX4与OsPHR2在IPs的协助下形成稳定的异二聚体复合物,导致抑制OsPHR2与P1BS的结合,从而不能有效激活下游PSI基因。但在低磷条件下,植物体中的IP含量降低,导致OsSPX4与OsPHR2的分离;OsSDEL1和OsSDEL2的积累促进了OsSPX4蛋白的泛素化和降解,进一步保证了OsPHR2的释放及其向细胞核的移动,增强PSI基因的转录[82]。虽然OsSDEL1OsSDEL2的转录水平不受低磷胁迫的影响,但OsSDEL1和OsSDEL2的蛋白质水平在磷缺乏条件下明显被诱导,这意味着OsSDEL1和OsSDEL2的低磷胁迫响应依赖于转录后或翻译后调节[85]。最近研究揭示,氮转运子OsNRT1.1B与OsSPX4之间相互作用,并通过招募RING-type E3泛素连接酶OsNBIP1 (NRT1.1B interacting protein 1,OsNBIP1) 促进OsSPX4的泛素化和降解,从而解放OsPHR2[86]。这些结果表明,磷信号转导成员可能受多种E3酶的调节。

        除此之外,在拟南芥中还发现了在低磷胁迫响应中与泛素化修饰有关的负调控因子。AtATL80作为一个定位于细胞质膜的ATL型RING E3泛素连接酶,在长期低磷条件下,AtATL80基因上调表达;在高磷条件下,AtATL80过表达株系增加了地上部磷的积累,生物量和磷利用效率降低,且与野生型相比,AtATL80过表达株系对冷胁迫表现出更高的敏感性[87]。这说明AtATL80作为一个E3酶在磷再分配及冷胁迫方面发挥重要作用,但哪些蛋白是ATL80的靶蛋白还不清楚。

        在拟南芥中,FBX2是一种含有WD40和F-box结构域的蛋白质,可用于识别特定的泛素化靶点。例如在磷充足条件下,fbx2突变体的PPCK1(Phosphoenolpyruvatecarbolicase Kinase 1) 转录本水平较高,根毛数量、细胞内总磷和花青素的含量显著高于野生型。FBX2调控低磷胁迫响应的分子机制也不清楚,因为其潜在的泛素化底物尚不清楚,也没有证据表明FBX2和PHR1之间存在直接的相互作用[88]。另一种转录因子bHLH32,在体外与FBX2有强烈的相互作用。然而,由于fbx2bHLH32突变体的表型相似,这两种蛋白都是低磷胁迫响应的负调控因子,bHLH32不太可能是FBX2活性的靶点。有人提出FBX2作为SCF-E3 泛素连接酶的一部分,通过与bHLH32的相互作用招募靶蛋白TTG1对其进行泛素化修饰,从而促进TTG1的降解[89]表1总结了低磷胁迫响应有关的泛素化系统组分。

        表 1  低磷胁迫响应相关的泛素化系统组分

        Table 1.  Components of ubiquitination system related to response to low phosphorus stress

        底物 SubstrateE2E3参考文献Reference
        AUX/IAA抑制因子Inhibitory factorTIR1[33]
        PIN2Lys63-linked[34-35]
        BES1、D53MAX2[38-40]
        PHR1SIZ1[41]
        PUB9[45]
        PHT1;4、ORE1NLA[68-70]
        PHO1、PHT1;1、PHT1;4PHO2[68, 70, 73, 77]
        OsPT2、OsPT8OsNLA1[71]
        OsGIOsPHO2[72]
        WRKY6PRU1[79]
        OsSPX4OsSDEL1、OsSDEL2[82]
        OsSPX4OsNBIP1[86]
        AtATL80[87]
        AtFBX2[89]
      • 介导泛素结合到靶蛋白的酶在控制低磷胁迫响应中起着重要作用。同样地,靶蛋白的去泛素化对适应低磷胁迫也有着重大意义。最近研究发现,UBP14 (Ubiquitin-specifific Protease 14) 是一种在翻译后水平上调节磷稳态所需的去泛素化酶,其通过影响根毛发育以响应磷的有效性。UBP14被认为是植物发育早期泛素/26S蛋白体途径所必需的,在泛素循环以及维持泛素分子和多泛素链之间的平衡中发挥重要作用[90]。Li等[91]通过EMS (ethyl methanesulfonate) 诱变筛选,分离到一个UBP14等位基因突变体per1 (Pi defificient root hair defective1);在缺磷条件下,per1植株的根毛伸长表现出磷特异性缺陷,在高磷条件下表现出一系列与缺磷植株相似的表型。这些结果表明,在泛素单体和泛素链之间保持适当的平衡在低磷胁迫响应中起重要作用。

        除此之外,拟南芥OTU5是一个含有OTU结构域的去泛素化酶;otu5突变体出现典型的磷缺乏表型,otu5主根长度明显低于野生型,其根毛较长且密度增大。而且蛋白质组分析表明,otu5的磷响应根毛生长发育相关蛋白的丰度降低,参与染色质重塑的蛋白质积累。此外,otu5突变体根系活性氧水平发生改变。这表明OTU5可能通过改变染色质三维结构和维持氧化还原平衡在磷信号下游起作用[92- 93]

      • 泛素化作为一种重要的蛋白翻译后调节方式,参与了植物低磷条件下的根系形态构型的重建,磷转运蛋白及其转录因子的定位、活性及稳定性调节。近年来,植物中越来越多的与低磷胁迫响应相关的泛素化组分被鉴定出来,包括E2、E3、底物以及去泛素化酶 (表1),然而由于E3泛素连接酶与其底物短暂和较弱的相互作用以及泛素化底物通常是被降解的,因此大部分E2、E3及其底物尚未被鉴定[94]。因此,探讨泛素化组分与底物之间的关系及其作用机制,将是今后植物低磷胁迫响应研究的热点。

        蛋白翻译后水平的调控主要包括泛素化、磷酸化以及类泛素化等。而细胞外信号非常严格地调控着目的蛋白的泛素化,在很多情况下,这种调控主要依赖于蛋白质的磷酸化[95]。目前在植物低磷胁迫响应中泛素化与磷酸化的协同作用方面的研究少有报道,例如水稻中PHT1s的磷酸化状态与其亚细胞定位和蛋白质水平密切相关,PHO2与PHT1s的泛素化作用与其定位有关[64],那么植物低磷胁迫响应中PHT1s的磷酸化是否影响其泛素化应该也是值得研究的一个问题。今后挖掘低磷条件下泛素化与磷酸化的相互作用,将有助于我们进一步了解植物低磷胁迫响应机制。除此之外,底物的去泛素化对适应低磷胁迫也有着重大意义,然而目前对植物适应低磷胁迫的底物去泛素化方面的报道较少,在拟南芥中只发现UBP14、OTU5这两个去泛素化酶,未来也可以增加这方面的研究。其他低磷胁迫响应有关的蛋白,如酸性磷酸酶、质子泵、促进磷酯转化为糖酯或硫酯的酶、其他低磷响应相关转录调控因子是否发生泛素化修饰,以及参与降解这些蛋白的E3酶是哪些?回答这些问题还需要通过正反向遗传学、修饰蛋白质组学等手段做更深入的研究。

        随着蛋白质泛素化研究技术的发展,对模式植物拟南芥、水稻以及其他植物低磷胁迫条件下蛋白质泛素化修饰的鉴定及其调控机制的研究,必将进一步加深我们对植物在蛋白质翻译后水平应答低磷胁迫的认识,为培育磷吸收和利用高效的作物品种提供新的研究思路。

    参考文献 (95)
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