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(jī)制
2020年7月21日，美國(guó)科學(xué)院院刊《PNAS》在線發(fā)表了北京大學(xué)生命科學(xué)院鐘上威實(shí)驗(yàn)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(guò)兩個(gè)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(dòng)幼苗形態(tài)建成的轉(zhuǎn)變，適應(yīng)出土前后環(huán)境劇變。
植物種子在土壤中萌發(fā)后，同時(shí)受到黑暗環(huán)境與土壤機(jī)械壓力的作用。出土前，植物幼苗下胚軸快速伸長(zhǎng)，同時(shí)抑制子葉發(fā)育，減少土壤機(jī)械阻力，并在頂端形成彎鉤，保護(hù)頂端幼嫩分生組織免受土壤機(jī)械損傷。破土而出時(shí)，幼苗形態(tài)建成發(fā)生快速轉(zhuǎn)變，下胚軸伸長(zhǎng)被抑制，子葉打開擴(kuò)展，并消除頂端彎鉤，讓植物能接收更多的光照，實(shí)現(xiàn)出土后的光合自養(yǎng)生長(zhǎng)。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(yīng)環(huán)境變化的典型例子。
在先前研究中，鐘上威實(shí)驗(yàn)室鑒定到PIFs和EIN3/EIL1是介導(dǎo)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(jī)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(shí)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(jìn)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(duì)出土后生長(zhǎng)的幼苗在應(yīng)對(duì)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(jī)制尚不清楚。
Microproteins通過(guò)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(guò)自身蛋白相互作用，形成四聚體。這種四聚體形式的蛋白復(fù)合體能大幅提高轉(zhuǎn)錄因子對(duì)下游基因啟動(dòng)子的結(jié)合能力，促進(jìn)對(duì)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(zhǎng)度少于140個(gè)氨基酸，只含有一個(gè)蛋白質(zhì)相互作用區(qū)域。在動(dòng)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(guò)程中都具有十分重要的調(diào)控作用。通過(guò)基因組序列分析，植物中發(fā)現(xiàn)有成百上千個(gè)可能的微蛋白，但這些微蛋白的功能與作用機(jī)制知之甚少。在出土幼苗暗轉(zhuǎn)光過(guò)程中，本課題研究者發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)微蛋白，MiP1a和MiP1b，其基因表達(dá)被快速上調(diào)了近百倍。通過(guò)組織表達(dá)特異性分析，發(fā)現(xiàn)MiP1a/b的表達(dá)模式跟PIFs和EIN3/EIL1十分相似。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MiP1a/b通過(guò)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(guò)表達(dá)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PIFs和EIN3對(duì)下游基因啟動(dòng)子的結(jié)合被顯著抑制。通過(guò)降低PIFs和EIN3對(duì)下游基因啟動(dòng)子的結(jié)合能力，MiP1a/b實(shí)現(xiàn)了對(duì)這兩類轉(zhuǎn)錄因子功能的快速抑制。通過(guò)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(guò)表達(dá)呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)的出土幼苗形態(tài)轉(zhuǎn)變表型。過(guò)表達(dá)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(fù)到野生型。因此，MiP1a/b通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)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(gè)微蛋白MiP1a/b，在幼苗出土?xí)r被瞬時(shí)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(dòng)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(guò)組織特異性或者條件誘導(dǎo)性表達(dá)這兩個(gè)微蛋白，實(shí)現(xiàn)對(duì)PIFs和EIN3功能的精確調(diào)控，在植物學(xué)基礎(chǔ)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用潛力。
北京大學(xué)生命科學(xué)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(xué)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(xiàn)。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年專項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金，以及蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/07/20/2002313117
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