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植物所王智烨课题组在Nature Plants联合发表论文揭示植物20S蛋白酶体调控体内RNA代谢新机制

时间:2020-07-31 访问次数:77

   细胞内大部分蛋白受蛋白酶体 (Proteasome) 降解。蛋白酶体降解分为泛素依赖的26S蛋白酶体降解途径和非泛素依赖的20S蛋白酶体降解途径。通常,蛋白被泛素化修饰,随后被26S蛋白酶体的19S调节亚基识别并被20S蛋白酶体核心亚基降解。然而,也有一些蛋白无需泛素化,能直接被20S蛋白酶体核心亚基降解。这类蛋白被称为固有无序蛋白(Intrinsically disordered proteins, IDPs),是一种缺乏有序三维结构的蛋白质,包括完全或部分无结构化。其中的无结构序列可诱导其被20S蛋白酶体直接降解。著名的抑癌基因p53就是此类蛋白。但是,植物IDP蛋白研究甚少,也未发现20S蛋白酶体直接降解的蛋白。

   SE蛋白是植物体内RNA代谢关键因子。SE蛋白既是植物miRNA加工合成复合体 (Microprocessor)关键因子,也参与一些基因的内含子剪切和转录。尽管SE蛋白是重要RNA代谢相关蛋白,但其自身蛋白如何被调控还未知。

   本研究首先利用IP-MS、酵母双杂等手段证明20S蛋白酶体亚基PAG1SE的一个互作蛋白。随即RNAseqsRNAseq高通量测序显示,全转录本范围内pag1se突变体里的差异表达基因成一定协同性,同时PAG1也参与SE介导的内含子剪切、miRNA合成和转录调控过程,表明PAG1SE功能的正调控因子。然而,western结果表明SE蛋白在pag1突变体内超积累。后续体内蛋白半衰期实验和体外降解实验显示,SE蛋白受PAG1介导的非泛素依赖的20S蛋白酶体降解 。同时,软件分析表明SE蛋白在N-C-端存在大段无序结构序列,是一个IDP

   体内和体外生化实验表明PAG1促进SE蛋白降解,而全转录本测序结果却显示PAG1SE功能的正调控因子。看似矛盾的实验结果驱使研究人员怀疑pag1突变体内SE蛋白的生物功能。分子筛实验结果发现野生型植株体内SE蛋白多以折叠形式存在于大分子蛋白复合体(>680kDa)中;而pag1突变体内,虽然SE蛋白增加,但SE蛋白大多集中在约400~250 kDa附近,并出现SE截短片段,暗示pag1突变体中SE蛋白多以未折叠且无功能的小分子形式存在,未能正常形成大分子蛋白复合体。此外,BiFC实验也显示,相比野生型,pag1突变体内SEDCL1形成的D-body减少。据此推测pag1突变体里增加的无序SE蛋白阻碍其与互作蛋白形成大分子蛋白复合体,从而影响SE功能。进一步研究发现,很多SE超表达植株虽然SE表达升高,但内源和外源的SE蛋白却下降,植物也呈现se突变体表型。并且,MG132处理可使转基因植株体内外源和内源蛋白回复,暗示超积累的SE蛋白诱导內源和外源的SE蛋白被蛋白酶体降解。

   研究结果表明,植物体内SE蛋白与其互作蛋白形成大分子蛋白复合体进而行使功能,大分子复合体中SE蛋白有序折叠从而不被PAG1识别并降解;而未形成大分子蛋白复合体的未折叠SE蛋白将被PAG1介导的20S蛋白酶体复合体降解,否则积累的无序SE蛋白会阻碍其自身形成蛋白复合体。该研究发现了植物20S蛋白酶体通过控制RNA代谢关键因子SE来调节体内RNA代谢稳态的新机制。

1. 20S蛋白酶体通过PAG1介导的SE蛋白降解来维持体内RNA代谢稳态

   相关研究成果以“Degradation of SERRATE via ubiquitin-independent 20S proteasome to survey RNA metabolism”为题发表在Nature Plants (IF=13.297) 杂志,美国德州农工大学张秀任教授和浙江大学王智烨研究员为共同通讯。本研究同时也得到了美国德州农工大学园艺学院Hisashi Koiwa教授、南京农业大学植物保护学院周明国教授和中科院遗传与发育生物学研究所谢旗教授的合作与支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41477-020-0721-4