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何平/单立波研究组首次在植物中鉴定到一种新型蛋白翻译后修饰

已有 865 次阅读 2021-9-30 09:14 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

美国得州农工大学何平/单立波研究组发现,植物中非经典的ADP-核糖化转移酶能够单ADP-核糖化修饰锌指结构域蛋白来对抗多聚泛素化修饰从而维持蛋白体内稳态,因而确保植物启动合适的免疫反应对抗病原菌的侵染。


北京时间2021年9月29日晚23时,国际著名学术期刊《分子细胞》在线发表了这一研究成果。


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植物已经进化了复杂的免疫反应信号网络来应对各种病原菌的攻击。其中植物细胞膜锚定的模式识别受体(PRRs)能够识别病原菌,以及植物分泌的模式相关分子(PAMPs/DAMPs),诱导植物免疫反应(PTI)。植物启动PTI免疫反应伴随着大量下游信号的激活,比如活化MAPK级联信号,钙信号,活性氧爆发(ROS)等。同时,植物体内的免疫调控蛋白也经历着各种翻译后修饰来维持植物合适的免疫反应,比如磷酸化,泛素化 ,N-糖基化,棕榈酰化等


蛋白的ADP核糖化修饰是广泛存在于生物体内的一种可逆的蛋白翻译后修饰方式,主要包括多聚ADP-核糖化(PARylation)和单ADP-核糖化(MARylation)修饰两种。蛋白ADP-核糖化主要由多聚ADP-核糖聚合酶(PARPs)催化ADP-核糖到目标蛋白上,同时被修饰的ADP-核糖链能够被多聚ADP-核糖水解酶(PARG)移除。在人类研究系统中,多聚ADP-核糖化已被广泛的研究,能够参与DNA损伤修复,基因组完整性,染色质修饰,基因转录,蛋白翻译,炎症免疫,以及细胞死亡等途径,从而调控人类各种疾病的发生,比如癌症,糖尿病以及自身免疫性疾病等。相比于多聚ADP-核糖化修饰,单ADP-核糖化修饰在人类疾病中的作用机制研究则相对落后。同时在植物中还没有发现这种内源性的单ADP-核糖化修饰及其相关的修饰酶。


何平/单立波研究组前期利用筛选拟南芥免疫缺陷型突变体的手段以及生化实验方法解析多聚ADP-核糖化修饰能够调控拟南芥对病原菌的免疫反应,并鉴定到拟南芥中首个多聚ADP-核糖聚合酶的底物FHA(forkhead-associate)结构域蛋白DAWDLE。但是植物中是否存在内源性的单ADP-核糖化修饰及其在植物免疫中的作用仍然不清楚。

 

研究人员首先利用多种实验方法证明拟南芥PARG1的底物为指结构域蛋白SZF1/SZF2,其能够在植物体内被ADP-核糖化,但是不依赖于植物中经典的多聚ADP-核糖聚合酶(PARPs),说明锌指结构域蛋白SZF1/SZF2 的ADP-核糖化很可能不是多聚ADP-核糖化修饰,而是一种单ADP-核糖化修饰。同时,细菌的模式相关分子flg22能够促进锌指结构域蛋白SZF1/SZF2的ADP-核糖化。为了探究SZF1/SZF2的ADP-核糖化修饰类型,研究人员开始集中分析植物中不同类别的ADP-核糖化转移酶。与哺乳动物相比,植物中存在特异的一类ADP-核糖化转移酶RCD1/SRO,但是其在植物中的生化活性和在植物免疫中的功能仍然不清楚。


进一步研究发现,其中一个非经典的ADP-核糖转移酶SRO2能够直接单ADP-核糖化修饰锌指结构域蛋白SZF1/SZF2在多个天冬氨酸和谷氨酸残基上。同时,细菌模式相关分子flg22促进锌指结构域蛋白SZF1/SZF2的单ADP-核糖化修饰依赖SRO2。遗传数据表明锌指结构域蛋白SZF1/SZF2能够调控植物免疫反应,而且SRO2介导的SZF1/SZF2单ADP-核糖化修饰对植物免疫是必须的。


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研究人员进一步研究发现锌指结构域蛋白SZF1在植物体内经历着26S蛋白酶体介导的蛋白降解,而模式相关分子flg22能够稳定SZF1蛋白。质谱鉴定分析泛素(ubiquitin)结合蛋白SH3P1和SH3P2与SZF1结合调控SZF1的多聚泛素化,进而促进其蛋白的降解。在模式分子flg22的处理条件下,SH3P1结合SZF1的能力显著降低,从而减弱SZF1的多聚泛素化。机制研究表明,非经典的ADP-核糖转移酶SRO2单ADP-核糖化修饰锌指结构域蛋白SZF1抑制SH3P蛋白介导的SZF1多聚泛素化,因而稳定SZF1蛋白来确保植物维持合适的免疫反应对抗病原菌的侵染。


这项研究首次发现植物中也存在单ADP-核糖化修饰以及相关的催化酶,并参与调控植物免疫反应,同时阐明了一种新的体内蛋白稳态的调控分子机制,为探究植物基础免疫提供了新的的理论依据。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.09.006





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