植物所王智燁課題組在Nature Plants聯(lián)合發(fā)表論文揭示植物20S蛋白酶體調(diào)控體內(nèi)RNA代謝新機(jī)制
? ?細(xì)胞內(nèi)大部分蛋白受蛋白酶體 (Proteasome) 降解。蛋白酶體降解分為泛素依賴的26S蛋白酶體降解途徑和非泛素依賴的20S蛋白酶體降解途徑。通常，蛋白被泛素化修飾，隨后被26S蛋白酶體的19S調(diào)節(jié)亞基識(shí)別并被20S蛋白酶體核心亞基降解。然而，也有一些蛋白無需泛素化，能直接被20S蛋白酶體核心亞基降解。這類蛋白被稱為固有無序蛋白(Intrinsically disordered proteins, IDPs)，是一種缺乏有序三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，包括完全或部分無結(jié)構(gòu)化。其中的無結(jié)構(gòu)序列可誘導(dǎo)其被20S蛋白酶體直接降解。著名的抑癌基因p53就是此類蛋白。但是，植物IDP蛋白研究甚少，也未發(fā)現(xiàn)20S蛋白酶體直接降解的蛋白。
? ?SE蛋白是植物體內(nèi)RNA代謝關(guān)鍵因子。SE蛋白既是植物miRNA加工合成復(fù)合體 (Microprocessor)關(guān)鍵因子，也參與一些基因的內(nèi)含子剪切和轉(zhuǎn)錄。盡管SE蛋白是重要RNA代謝相關(guān)蛋白，但其自身蛋白如何被調(diào)控還未知。
? ?本研究首先利用IP-MS、酵母雙雜等手段證明20S蛋白酶體亞基PAG1是SE的一個(gè)互作蛋白。隨即RNAseq和sRNAseq高通量測(cè)序顯示，全轉(zhuǎn)錄本范圍內(nèi)pag1和se突變體里的差異表達(dá)基因成一定協(xié)同性，同時(shí)PAG1也參與SE介導(dǎo)的內(nèi)含子剪切、miRNA合成和轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程，表明PAG1是SE功能的正調(diào)控因子。然而，western結(jié)果表明SE蛋白在pag1突變體內(nèi)超積累。后續(xù)體內(nèi)蛋白半衰期實(shí)驗(yàn)和體外降解實(shí)驗(yàn)顯示，SE蛋白受PAG1介導(dǎo)的非泛素依賴的20S蛋白酶體降解?。同時(shí)，軟件分析表明SE蛋白在N-和C-端存在大段無序結(jié)構(gòu)序列，是一個(gè)IDP。
? ?體內(nèi)和體外生化實(shí)驗(yàn)表明PAG1促進(jìn)SE蛋白降解，而全轉(zhuǎn)錄本測(cè)序結(jié)果卻顯示PAG1是SE功能的正調(diào)控因子?？此泼艿膶?shí)驗(yàn)結(jié)果驅(qū)使研究人員懷疑pag1突變體內(nèi)SE蛋白的生物功能。分子篩實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)野生型植株體內(nèi)SE蛋白多以折疊形式存在于大分子蛋白復(fù)合體(>680kDa)中；而pag1突變體內(nèi)，雖然SE蛋白增加，但SE蛋白大多集中在約400~250 kDa附近，并出現(xiàn)SE截短片段，暗示pag1突變體中SE蛋白多以未折疊且無功能的小分子形式存在，未能正常形成大分子蛋白復(fù)合體。此外，BiFC實(shí)驗(yàn)也顯示，相比野生型，pag1突變體內(nèi)SE與DCL1形成的D-body減少。據(jù)此推測(cè)pag1突變體里增加的無序SE蛋白阻礙其與互作蛋白形成大分子蛋白復(fù)合體，從而影響SE功能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，很多SE超表達(dá)植株雖然SE表達(dá)升高，但內(nèi)源和外源的SE蛋白卻下降，植物也呈現(xiàn)se突變體表型。并且，MG132處理可使轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)外源和內(nèi)源蛋白回復(fù)，暗示超積累的SE蛋白誘導(dǎo)內(nèi)源和外源的SE蛋白被蛋白酶體降解。
? ?研究結(jié)果表明，植物體內(nèi)SE蛋白與其互作蛋白形成大分子蛋白復(fù)合體進(jìn)而行使功能，大分子復(fù)合體中SE蛋白有序折疊從而不被PAG1識(shí)別并降解；而未形成大分子蛋白復(fù)合體的未折疊SE蛋白將被PAG1介導(dǎo)的20S蛋白酶體復(fù)合體降解，否則積累的無序SE蛋白會(huì)阻礙其自身形成蛋白復(fù)合體。該研究發(fā)現(xiàn)了植物20S蛋白酶體通過控制RNA代謝關(guān)鍵因子SE來調(diào)節(jié)體內(nèi)RNA代謝穩(wěn)態(tài)的新機(jī)制。
圖1. 20S蛋白酶體通過PAG1介導(dǎo)的SE蛋白降解來維持體內(nèi)RNA代謝穩(wěn)態(tài)
? ?相關(guān)研究成果以“Degradation of SERRATE via ubiquitin-independent 20S proteasome to survey RNA metabolism”為題發(fā)表在Nature Plants?(IF=13.297) 雜志，美國德州農(nóng)工大學(xué)張秀任教授和浙江大學(xué)王智燁研究員為共同通訊。本研究同時(shí)也得到了美國德州農(nóng)工大學(xué)園藝學(xué)院Hisashi Koiwa教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院周明國教授和中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗教授的合作與支持。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-020-0721-4
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