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The EMBO Journal:OST1 磷酸化 BTF3L 正调控 CBFs表达
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OST1‐mediated BTF3L phosphorylation positively regulates CBFs during plant cold responses
Abstrate：
Cold stress is a major environmental factor that negatively affects plant growth and survival. OST1 has been identified as a key protein kinase in plant response to cold stress; however, little is known about the underlying molecular mechanism. In this study, we identified BTF3 and BTF3L (BTF 3 -like), b -subunits of a nascent polypeptide-associated complex (NAC), as OST 1 substrates that positively regulate freezing tolerance. OST1 phosphorylates BTF3 and BTF3L in vitro and in vivo, and facilitates their interaction with C-repeat-binding factors (CBFs) to promote CBF stability under cold stress. The phosphorylation of BTF3L at the Ser 50 residue by OST 1 is required for its function in regulating freezing tolerance. In addition, BTF3 and BTF3L proteins positively regulate the expression of CBF genes. These findings unravel a molecular mechanism by which OST1 -BTF3 -CBF module regulates plant response to cold stress.
DOI 10 . 15252 /embj. 201798228 | Received 29 September 2017 | Revised 10
February 2018 | Accepted 13 February 2018
The EMBO Journal ( 2018 ) e 98228
研究问题及相关背景
| 冷胁迫作为主要的环境因子，严重限制了植物的生长发育、作物的产量和质量提升。许多温带植物经过一段时期的非冰点低温适应能够获得低温抗性，即冷驯化过程。在冷驯化过程中，植物体内诱导产生大量冷调控基因，导致一些保护性蛋白的表达，主要包括解毒酶，渗透调节物质合成和脂肪酸代谢关键酶。同时保护细胞免受冻害的抗冻蛋白CBFs、DREB1s作为主要的转录因子参与植物冷驯化过程。研究发现，OST1在植物抗冻过程中发挥关键作用。冷胁迫激活OST1，进而磷酸化ICE1蛋白，使其蛋白结构更加稳定。而MPK3/6负调控ICE1蛋白的稳定性，导致拟南芥抗冻性降低。但是水稻研究却发现OsMPK3在冷胁迫下抑制OsICE1降解，正调控水稻抗冷性。OST1作为植物响应冷胁迫的关键蛋白激酶，其潜在的分子机制仍有待探索。 新生多肽相关复合物（NAC）作为起始因子能够可逆地与核糖体上的新生多肽互作，防止肽链意外结合其他胞浆因子。从古细菌到高等真核生物，NAC高度保守，且对动物生长发育具有重要作用。但对植物NAC的确切作用的认识仍非常有限。近几年的研究表明，植物NAC参与发育与逆境响应等过程，但NAC在这些过程中的分子功能仍有待研究。本研究围绕OST1与NAC β亚单元BTF3、BTF3L在调控拟南芥冷胁迫响应中的分子机制展开讨论，揭示植物响应冷胁迫的相关分子机制。 |
研究方法
| 1、 以OST1过表达拟南芥为试材，采用液相色谱质谱联用（LC-MS）分析筛选出互作蛋白BTF3L，体外试验（酵母双杂交、Pull Down等）验证OST1与BTF3、BTF3L互作关系； 2、 BTF3、BTF3L基因特性分析（表达模式、亚细胞定位、转录激活活性鉴定）； 3、 构建BTF3L T-DNA插入缺失突变体及拟南芥过表达BTF3、BTF3L分析基因的生物学功能； 4、 体外磷酸化试验确认OST1与BTF3、BTF3L的作用方式，采用LC-MS分析磷酸化位点并进行氨基酸序列突变验证及转基因互补分析； 5、 体外Pull Down、分裂的荧光素酶互补分析、co-IP等验证OST1通过磷酸化BTF3L，增强BTF3L与CBF的互作； 6、 体外降解试验、拟南芥杂交证实在冷胁迫下BTF3L增强了CBF蛋白的稳定性。 |
研究结论
| 1、 OST1 能在体内体外磷酸化BTF3、BTF3L，进而促进BTF3、BTF3L与CBFs互作，维持CBF蛋白在冷胁迫下的稳定性； 2、 BTF3L 蛋白第50位的丝氨酸残基是OST1磷酸化位点，该位点是参与调控植物抗冻性的关键位点； 3、 BTF3、BTF3L蛋白正调控CBFs基因的表达。 |
创新点（性）和特色
| 1、本研究筛选出OST1下游响应冷胁迫关键蛋白BTF3、BTF3L，拓宽了OST1 在冷信号转导的调控机理； 2、通过一系列体内体外蛋白互作试验及遗传学证据，提出植物响应冷胁迫OST1 -BTF3 –CBF调控模式。 |
综合评价
| 本研究采用LC-MS筛选出OST1下游互作蛋白BTF3、BTF3L，并利用相关生化试验及遗传学证据发现OST1通过磷酸化BTF3、BTF3L蛋白，促进BTF3L与CBF互作，进而增强CBF蛋白在冷胁迫下的稳定性，提高植物的耐冻能力。研究思路清晰，试验设计严谨，采用体内体外生化试验证实蛋白互作关系、互作定位、互作方式、互作位点，并结合遗传学证据辅助验证，层层推进，论证充实有力。 |
启示
| 植物在响应冷胁迫的调控过程中，转录因子CBF发挥重要作用。CBF能激活下游抗冷相关基因的表达，提高植物耐冷性。而CBF也受到多个水平的调控和修饰，本研究发现OST1通过磷酸化修饰BTF3、BTF3L，促进BTF3L与CBF互作，进一步增强CBF蛋白稳定性，提高了植物在冷胁迫下的适应能力。这为今后对抗逆关键因子的作用模式的理解拓宽了思路。 |
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