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《研究揭示拟南芥孤儿基因调节花粉发育的分子机制》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2024-07-31

  •     开花植物中，花粉的形成以及随后的花粉管生长和受精在植物的育性中具有关键作用。花粉的适当发育和成熟对种子植物的遗传多样性具有重要影响，对农业作物生产产生重要作用。植物中孤儿基因的出现可能是植物不断适应环境的进化结果，其功能可能促进植物的生存。近年来，拟南芥特异性孤儿基因Qua Quine Starch（QQS）在植物发育和环境适应中的作用备受关注。然而，QQS调控花粉发育的分子机制以及转录激活因子如何在这一过程中促进QQS的转录尚不清楚。

        中国科学院西双版纳热带植物园植物基因组演化与次生代谢研究组发现，ICE1作为关键的转录激活因子，正向调节QQS的表达，以提高花粉的萌发和活力。IDD14通过促进ICE1与QQS启动子的结合辅助促进ICE1的功能，且在这一过程中很大程度上依赖于ICE1。此外，QQS功能受损和异常花药开裂共同影响ice1-2突变体的花粉发育和花粉形态。进一步研究显示，ICE1对花粉活性的促进作用取决于QQS的功能。QQS调节花粉表面的脂质生成，并与长链脂质生物合成的关键酶CUT1相互作用，通过促进CUT1的活性来协同调控花粉的脂质代谢，最终调节花粉的水合作用和育性。该研究揭示了QQS通过ICE1/IDD14-QQS-CUT1途径促进拟南芥花粉萌发和雄性育性方面的新功能。

        相关研究成果以ICE1 interacts with IDD14 to transcriptionally activate QQS to increase pollen germination and viability为题，在线发表在Journal of Integrative Plant Biology上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

  • 原文来源：https://www.cas.cn/../../syky/202407/t20240711_5025049.shtml
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相关报告

  • 《遗传发育所发现snoRNP在热精胺介导的拟南芥生长发育中的作用》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2022-12-07
    •   多胺（polyamines）广泛存在于细菌、酵母、动物和植物中。多胺的主要存在形式为腐胺（Putrescine，Put）、亚精胺（Spermidine，Spd）和精胺（Spermine，Spm）。多胺曾被认为是潜在的植物激素，调控植物生长发育和环境适应的多个方面，但由于内源含量远高于经典的植物激素，且信号转导途径不明确，近年来被认为仅作为生长调节物质发挥功能。1979年，热精胺（Thermospermine，T-Spm）在嗜热菌（Thermus thermophilus）中得到鉴定，是精胺的同分异构体。拟南芥中热精胺合成缺陷突变体的表型与腐胺、亚精胺和精胺缺陷突变体的表型存在显著差异，说明热精胺在植物体内可能存在特异的功能和信号转导途径。   中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋研究组通过测定拟南芥体内多胺的含量，发现热精胺的内源含量显著低于腐胺、亚精胺和精胺，达到经典植物激素的范围。热精胺合成突变体acl5的株高显著降低，且在靠近根茎连接处的根部出现瘤状结构。为解析热精胺调控植物生长发育的机制，科研团队开展大规模抑制子筛选，获得了50多个acl5瘤状结构的抑制子（Suppressors of acl5 nodule structure，san）。科研人员对其中两个抑制子san1和san2开展深入研究发现，SAN1和SAN2分别编码box H/ACA和box C/D snoRNP复合体的核心蛋白NAP57和NOP56，并分别在保守的TruB N和Nop结构域发生了点突变。细菌、酵母和动物中的过往研究表明，box H/ACA和box C/D snoRNP复合体分别由四个核心蛋白及相应的小分子核仁RNA（snoRNA）组成，分别负责核糖体RNA（rRNA）的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰，与核糖体的生物合成、活性以及癌症等疾病的发生密切相关。植物中box H/ACA和C/D snoRNP复合体的核心蛋白与酵母和动物中的核心蛋白高度同源，但目前对snoRNP复合体在植物中的功能研究有限。   通过rRNA假尿嘧啶化修饰的质谱定量分析，研究发现acl5中假尿嘧啶化修饰水平与野生型相比无明显差异，而acl5 san1中假尿嘧啶化修饰水平显著降低，表明SAN1中的点突变导致box H/ACA snoRNP功能的损伤。科研人员利用高通量测序技术检测了5.8S、18S、25S rRNA中的2'-O-甲基化修饰位点及程度发现，acl5的2'-O-甲基化修饰水平与野生型相比无明显差异，而acl5 san2中rRNA的2'-O-甲基化修饰水平出现全局性降低，表明SAN2在rRNA 2'-O-甲基化修饰中发挥重要功能。   在拟南芥中，腐胺、亚精胺、精胺和热精胺是主要类型的多胺，它们的内源含量和生物学功能存在差异。该研究发现热精胺的内源水平约为1 μg/g，接近内源植物激素的范围。研究通过遗传筛选鉴定到acl5的抑制子蛋白SAN1/NAP57和SAN2/NOP56，分别是box H/ACA snoRNP和box C/D snoRNP中的核心组分，在rRNA的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰中发挥关键作用。因此，热精胺通过调控snoRNP复合物的功能调节拟南芥的株高和瘤状结构的形成，对snoRNP功能的深入解析有望阐明植物中热精胺的信号转导机制。   该研究将rRNA修饰和热精胺介导的植物生长发育关联起来，为研究热精胺调控植物生长发育的机制提供了重要证据。由于热精胺内源含量较低，可能作为一类新的植物激素发挥功能，未来需开展更多acl5抑制子的分析及snoRNP功能的深入研究，对揭示热精胺在植物中的完整信号转导途径具重要意义。   11月15日，相关研究成果以SnoRNP is essential for thermospermine-mediated development in Arabidopsis thaliana为题，发表在《中国科学：生命科学》（SCIENCE CHINA Life Sciences）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、中国科学院青年创新促进会和中国科学院关键技术人才计划的支持。
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  • 《Nature | 黏附类受体结构和功能研究揭示孤儿GPCR自激活机制》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-04-14
    • 　G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）在细胞信号转导中发挥重要作用，介导并调控人体的各类生命活动。这类受体与众多疾病密切相关，是最大的药物靶标蛋白家族，超过40%的上市药物通过与这些受体作用发挥其疗效，但目前还有大量靶向该家族的药物处于研发阶段，围绕GPCR的药物研发一直是国际医药产业的竞争高地。虽然近年来对GPCR的结构与药理学研究不断有突破性成果产生，但至今仍有100余种GPCR的配体和信号转导通路不明，这些孤儿受体相关的研究极为匮乏，极大地制约了对于GPCR生理功能与信号转导机制的全面认识。值得一提的是，孤儿受体作为药物开发的“处女地”，是潜在的药物靶标“源泉”，为创新药物研发带来机遇。 　　近日，中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组联合上海科技大学水雯箐研究组，在孤儿受体信号转导机制研究方面取得突破性进展。该研究团队成功解析两种黏附类GPCR（adhesion GPCR）ADGRD1和ADGRF1分别与G蛋白结合的复合物三维结构，并开展了深入的功能相关性研究，首次阐明这类孤儿受体自发激活的分子机制，为研究该类受体的信号转导机理和未来的药物设计提供了重要依据。相关研究论文于北京时间2022年4月13日在国际顶级学术期刊Nature上在线发表。 　　黏附类GPCR包含33种受体，参与调控免疫反应、器官发育和细胞通讯等生理过程，与精神分裂症、多动症和癌症等多种疾病密切相关。然而，该类受体是目前研究最不透彻的GPCR家族，几乎所有成员都是配体未知和功能不明的孤儿受体，其结构和功能研究的匮乏严重制约了相关的药物研发进程。ADGRD1和ADGRF1作为两种黏附类受体，被发现是多种癌症的致癌基因，但其在分子水平上如何被激活和调控，相关的作用机制仍不清楚。 　　此次，上海药物所的联合研究团队通过测定ADGRD1和ADGRF1分别与G蛋白结合的复合物结构，发现受体自身的一部分可作为内源性激动剂，使受体激活。这个充当激动剂的部分是位于受体胞外结构域和跨膜结构域之间的一段多肽（包含约20个氨基酸），被称为“stalk”。该区段通过与受体跨膜结构域作用，导致跨膜螺旋发生构象变化，从而激活受体，使其与G蛋白结合。这种受体自发激活方式从未在其它类型GPCR中被发现，充分体现了黏附类受体信号转导机制的独特性。 　　不同于其它GPCR，黏附类受体的N端含有一个巨大的胞外结构域，不同类型黏附类受体的胞外结构域组成差异巨大。尽管如此，几乎所有黏附类受体的胞外结构域中都包含一个自剪切结构域（GPCR autoproteolysis-inducing, GAIN），该结构域中含有一个自剪切位点，使受体断裂成N端和C端两个部分，自剪切位点和跨膜结构域之间的区段即为stalk。以往研究发现，虽然受体发生断裂，stalk仍然与GAIN结构域的其它部分紧密结合。而ADGRD1和ADGRF1与G蛋白的复合物结构显示，stalk从GAIN结构域中脱离，发生显著的构象变化，促使其伸入到受体跨膜结构域的结合口袋中，这说明stalk的构象重排对于受体激活至关重要。 　　以往人们普遍认为黏附类受体发生自剪切有利于GAIN结构域释放stalk，从而促进受体自激活。然而，此次研究人员将ADGRD1和ADGRF1的自剪切位点突变，使其丧失自剪切能力，受体激活下游信号通路的能力却没有发生显著变化。更加出乎意料的是，研究人员进一步解析了ADGRF1自剪切突变体与G蛋白的复合物结构，发现stalk仍能通过同样的方式与跨膜结构域作用激活受体。这些研究结果表明，自剪切对于stalk释放和受体自激活不是必需的。 　　ADGRD1和ADGRF1的氨基酸序列相似性很低，但这两种受体的结构显示stalk与跨膜结构域之间形成的相互作用力非常相似，提示不同类型黏附类受体可能通过类似的方式自发激活下游信号通路。进一步分析发现，不同跨膜螺旋中的氨基酸凭借彼此间的相互作用形成一系列作用力核心，这些作用力核心像传递“接力棒”一样，将stalk在受体细胞外侧区域引发的构象变化向细胞内侧方向传送，最终完全激活受体。对受体的功能研究显示，将构成这些作用力核心的氨基酸突变后，受体自激活的能力显著下降，表明这些作用力对于受体激活至关重要。这些结构和功能信息为药物设计提供了精准的模板，将有助于靶向这两种黏附类受体的癌症治疗药物开发。 　　该研究的另外一项重要发现是一种天然脂分子通过与ADGRF1特异性结合对受体功能进行调控。联合研究团队在ADGRF1与G蛋白的复合物结构中发现一个脂分子与受体中G蛋白结合口袋附近的一个位点结合，而在另一个受体ADGRD1的结构中则没有发现脂分子。研究人员进一步利用质谱与组学技术鉴定该脂分子的结构为溶血磷脂胆碱（lysophosphatidylcholine，LPC）。进一步的功能研究表明，LPC可能通过稳定受体胞内侧区域的构象促进受体激活。这是首次发现细胞膜的脂质成分LPC与GPCR结合并对受体功能发挥调控作用，极大地拓展了对于GPCR功能调控机制的认识。 　　中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员、赵强研究员和上海科技大学水雯箐教授是研究论文的共同通讯作者，第一作者是上海药物所博士生瞿向利、硕士生邱娜和上海科技大学博士生王沐、助理研究员张冰洁。研究工作获得国家自然科学基金委员会、国家科技部、中国科学院和上海市科学技术委员会等部门的经费支持。 全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04580-w
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