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PNAS︱美国加利福尼亚大学科学家研究揭示拟南芥KUF1介导的对Karrikin和KAI2配体的负反馈调节

已有 969 次阅读 2022-3-10 21:04 |系统分类:科研笔记

Karrikin (KARs) 是一类植物燃烧形成的烟雾中的小分子,能调控种子萌发和幼苗发育,根系形态等植物生长发育过程。KARs 与植物激素独脚金内酯在信号转导方面具有很高的相似性。目前认为KARs 激活受体蛋白KAI2,激活的KAI2 介导泛素E3 连接酶复合体SCFMAX2 与下游的SMAX1 和SMXL2 蛋白互作并诱导其降解,从而调控植物的生长发育过程。但该模型的许多假设并未被证实。此外,目前在植物体内并未发现KARs 及其合成途径的存在,且对kai突变体的研究暗示可能存在一个内源与KARs 类似的KAI2 配体【1】。


近日,美国加利福尼亚大学 David C. Nelson 团队在PNAS 杂志发表了题为KARRIKIN UP-REGULATED F-BOX 1 (KUF1) imposes negative feedback regulation of karrikin and KAI2 ligand metabolism in Arabidopsis thaliana 的研究论文。文章研究发现拟南芥F-Box 蛋白KUF1 参与负反馈调控Karrikin 和KAI2 配体的代谢。


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KUF1 是拟南芥中第一个鉴定到的KAR/KL 信号途径转录水平的marker基因,编码一个F-BOX 蛋白。该研究发现kuf1 突变体幼苗在红光下表现出与KAR1, KAR2 处理以及smax1 突变体类似的表型,即下胚轴伸长受抑制。此外,KAR/KL 信号途径的其他响应基因在kuf1 突变体中具有比KAR1 处理野生型更强的响应,且在kuf1 突变体中KAR1 处理可以更进一步激活或抑制这些基因 (图1)。


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图1


对于以上结果,作者提出四种假设并一一进行验证;

假设一:KUF1 控制幼苗生长且不依赖于KAR/KL 信号途径;

假设二:kuf1 降低SMAX1/SMXL2 蛋白活性或稳定性且不依赖于KAI2-SCFMAX2

假设三:kuf1 通过增加KAI2 或MAX2 蛋白的活性或稳定性进而促进SMAX1/SMXL2 蛋白降解;

假设四:KUF1 负向调控KAR1 向具有生物活性信号分子转化的代谢过程,或者负调控KL的合成或活性。


首先,通过遗传实验,作者发现KUF1 上位于KAI2 和MAX2,因此排除前两种假设(图2)。

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图2 Epistasis analysis of kuf1 and KAR/SL signaling mutants.


此外,并未观察到KAI2 蛋白在kuf1 中的积累,因此排除KAI2 是SCFKUF1 底物的可能(图3)。

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图3 KAI2 protein abundance under KUF1 perturbation


kuf1 幼苗对KAR1具有超敏性,但对KAI2和rac-GR24并没有类似的表型。由于无法直接检测KUF1 对KL 水平和KAR1 代谢的影响,作者通过三个非直接的证据表明,kuf1 中KL 的含量可能有所增加。第一,将寄生植物独脚金中的KARs 受体ShKAI2i 导入拟南芥kai突变体中, ShKAI2i 对拟南芥内源KL的敏感性低于拟南芥自身KARs 受体AtKAI2。如果kuf1 中KL 的含量确实有所增加,则与对照相比,导入ShKAI2i 的材料在kuf1 背景下对下胚轴伸长的抑制较小,而用KAR1 处理对下胚轴伸长的抑制则类似或更强。第二,与野生型相比,kuf1 背景下检测到SMAX2D2-LUC的蛋白减少,与kuf1 中KL 积累相一致;第三,过表达KUF1 可以抑制KAR1对SMAX1蛋白的降解,这个结果与KUF1 过表达抑制KL 合成的假设一致(图4)。

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图4 Response of kuf1 to low concentrations of KARs and rac-GR24.


综上,尽管未提供直接证据支持,作者提出了一个KUF1 介导的负反馈调节模型:受体蛋白KAI2 被某个未知的内源配体KL,或一种推测的KAR1的活性代谢形式或GR24ent-5DS 所激活后,与SCFMAX2 和SMAX1/SMXL2 互作,从而启动泛素化降解途径,导致KUF1 转录本增加。KUF1 可能通过与SCF 类型E3 泛素连接酶复合物互作靶向某个未知的蛋白,该靶蛋白正调控KL 的生物合成和KAR1 向活性形式的转化(图5)。


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图5 Model of a KUF1-mediated negative feedback loop


原文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2112820119


参考文献:

【1】Conn CE, Nelson DC. Evidence that KARRIKIN-INSENSITIVE2 (KAI2) Receptors may Perceive an Unknown Signal that is not Karrikin or Strigolactone. Front Plant Sci. 2016 Jan 8;6:1219. doi: 10.3389/fpls.2015.01219. PMID: 26779242; PMCID: PMC4705300.




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