生物通報道：2014年7月10日，國際學(xué)術(shù)期刊《PLOS Genetics》（五年影響因子9.44）在線發(fā)表了蘭州大學(xué)的一項(xiàng)最新研究成果“Arabidopsis DELLA Protein Degradation Is Controlled by a Type-One Protein Phosphatase, TOPP4”， 該研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修飾的分子機(jī)理，解決了GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中去磷酸化修飾這一經(jīng)典的生物學(xué)問題，對植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究和實(shí)際生產(chǎn)中農(nóng)作物改良等具有重要的科學(xué)價值。

 

本文通訊作者為蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細(xì)胞活動與逆境適應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生導(dǎo)師侯歲穩(wěn)教授，其1994年畢業(yè)于西北師范大學(xué)生物系，1997年于中科院昆明植物研究所獲碩士學(xué)位，2004年在蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院獲博士學(xué)位，2002年至2003年，為英國劍橋大學(xué)訪問學(xué)者，2005年至2008年在中科院近代物理研究所從事博士后研究。研究方向?yàn)橹参锛に刈饔梅肿訖C(jī)理、植物氣孔和表皮細(xì)胞發(fā)育與形態(tài)建成調(diào)控機(jī)理，先后在The Plant Journal、Planta、Journal of Experimental Botany、PLOS Genetics等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文多篇。第一作者是侯歲穩(wěn)教授指導(dǎo)的博士研究生秦倩倩，合作者是黎家教授。

赤霉素（GAs）是一類重要的植物激素，介導(dǎo)正常植物生命過程中幾乎所有的生理活動，包括種子萌發(fā)、葉片的形成、細(xì)胞伸長和開花時間的控制等等。在最近的幾十年中，研究人員使用遺傳學(xué)和生化方法，已經(jīng)描述了GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)所必不可少的一些分子成分。一組這些成分是細(xì)胞核定位的DELLA蛋白。這些蛋白質(zhì)屬于一小組GRAS轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子家族，在其N末端包含特定的DELLA序列，在C末端包含保守的GRAS結(jié)構(gòu)域。它們是GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵抑制因子。在擬南芥基因組中，有5個DELLA蛋白，分別被稱為GA INSENSITIVE (GAI)、REPRESSOR OF ga1-3 (RGA)、REPRESSOR OF ga1-3-LIKE protein (RGL)1、RGL2和RGL3。

 

遺傳學(xué)分析表明，這些DELLA蛋白有重疊，有時在植物生長和發(fā)育的調(diào)控過程中發(fā)揮不同的作用。例如，GAI和RGA對于莖的伸長很重要；RGL2調(diào)控種子的萌發(fā)；而RGA、RGL1和RGL2參與花的發(fā)育。最近，已有研究闡明了一個主要的GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)。在細(xì)胞核中，GA是通過其受體GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 (GID1)感知的。配體-受體復(fù)合物的形成可提高GID1和DELLA蛋白質(zhì)DELLA結(jié)構(gòu)域的相互作用，導(dǎo)致它們的直接滅活或通過SCFSLY1/GID2 (Skp1-Cullin-F-box蛋白復(fù)合體) E3連接酶的泛素化。泛素化的DELLA蛋白隨后被26S蛋白酶體系統(tǒng)降解，觸發(fā)GA響應(yīng)。

另一方面，當(dāng)缺少GA時，DELLA蛋白穩(wěn)定定位在細(xì)胞核中，在那里它們與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，抑制GA應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄，抑制擬南芥中的生長和發(fā)育過程。DELLAs通過與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，也促進(jìn)GID1b的轉(zhuǎn)錄，通過上調(diào)GA生物合成基因GA 20-oxidases 2 (GA20ox2)和GA 3-oxidases 1 (GA3ox1)的表達(dá)，保持GA的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。此外，DELLA蛋白是其他植物激素（包括生長素、乙烯、脫落酸、油菜素內(nèi)酯、茉莉酮酸酯）和環(huán)境因素（如陽光、寒冷和鹽）的重要整合因子。

 

最近，有研究發(fā)現(xiàn)這些蛋白質(zhì)可調(diào)節(jié)皮層微管組織。除了泛素化和糖基化之外，有限的證據(jù)也表明，DELLA蛋白也由可逆的蛋白磷酸化和去磷酸化所調(diào)節(jié)。然而，我們對于詳細(xì)的分子機(jī)制卻知之甚少，參與這個過程的蛋白磷酸酶也尚無報道。

蛋白磷酸酶1（PP1s）是一大組絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白磷酸酶。雖然它們在植物中的功能仍不確定，但它們在真核生物中廣泛地表達(dá)，調(diào)節(jié)動物的不同細(xì)胞過程。在擬南芥中，PP1s被稱為1型蛋白磷酸酶（TOPPs）。以往的研究表明，它們調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育和藍(lán)光依賴的氣孔開放?？傊琓OPPs調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育的分子機(jī)制還沒有得到很好的研究。

 

ViaFect轉(zhuǎn)染試劑

在這項(xiàng)研究中，研究人員通過篩選化學(xué)誘變的擬南芥突變體庫，獲得一個突變體topp4-1，并針對該突變體深入研究了GA信號通路以及DELLA蛋白去磷酸化修飾。該課題組與黎家教授實(shí)驗(yàn)室合作，通過基因圖位克隆、遺傳學(xué)分析、蛋白質(zhì)互作、去磷酸化分析等一系列的方法證明，一種新的蛋白磷酸酶TOPP4可以與DELLA蛋白相互作用并將其去磷酸化，引起GA介導(dǎo)的DELLA蛋白的降解，正調(diào)節(jié)GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，促進(jìn)植物的生長發(fā)育。該研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修飾的分子機(jī)理，解決了GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中去磷酸化修飾這一經(jīng)典的生物學(xué)問題，對植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理研究和實(shí)際生產(chǎn)中農(nóng)作物改良等具有重要的科學(xué)價值。