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黄烯教授课题组在《PNAS》上揭示UV-B光信号调控植物发育的新机制

发布时间:2019-02-21来源:生命科学学院点击数:700

2019220日,细胞应激生物学国家重点实验室、厦门大学生命科学学院黄烯教授课题组在PNAS在线发表了题为Two E3 Ligases Antagonistically Regulate the UV-B Response in Arabidopsis的研究论文,揭示了拟南芥中两类泛素连接酶形成“抑制”与“去抑制”机器,拮抗调控UV-B光形态建成的分子机制

光是自然界中影响动植物生命活动的重要环境因子。种子萌发后,植物幼苗出土感知环境中的光信号并调节自身组织和器官建成的发育过程,称为光形态建成。植物对紫外光UV-B波段(280-315nm)十分敏感。适度的UV-B光照能够促进幼苗进行光形态建成,帮助植物获得抵御胁迫的能力。随着2011年植物UV-B光受体UVR8的鉴定,UV-B光信号的感知与转导机制被逐步研究。然而植物体内UV-B光信号转导网络如何建立仍不明晰,尤其是正负调控机制如何平衡所知甚少 

COP1CUL4-DDB1是动植物中保守的两类泛素连接酶,能够识别特异底物蛋白使其降解,从而广泛参与各种生命过程的调控。在幼苗出土前的黑暗环境中,COP1CUL4-DDB1协同降解光形态建成核心转录因子HY5,抑制光形态建成发生。幼苗出土后,植物通过UV-B光受体UVR8感知逐渐增强的UV-B光照,起始光信号转导。UVR8持续激活的植株在幼苗阶段呈现组成型光形态建成,在成体阶段极度矮化,说明适度的光信号转导为植物的正常发育所需。为研究UV-B光信号的正负调控如何制衡,研究人员从探究负调控HY5的“刹车”机制入手,首先鉴定到同源蛋白RUP1RUP2为新的HY5互作因子。通过分析RUP1RUP2的氨基酸序列,研究人员发现二者均含有作为CUL4-DDB1泛素连接酶组分的经典结构域,由此推测RUP1RUP2可能是CUL4-DDB1泛素连接酶的底物结合蛋白,并通过遗传和生化手段积揭示了CUL4-DDB1RUP1/RUP2UV-B下组装成泛素连接酶复合体介导HY5蛋白通过26S-蛋白酶体途径进行降解,从而抑制光形态建成。

有意思的是,COP1UV-B光下帮助HY5蛋白的稳定,促进光形态建成。而在其他光照条件下则介导HY5蛋白的降解,抑制光形态建成。作为光形态建成的关键调控因子,COP1如何行使截然相反的功能是光信号领域悬而未决的问题。研究人员发现COP1能与RUP1/RUP2蛋白发生直接的相互作用,并利用多种实验手段阐明了它们的相互作用一方面隔离了HY5COP1,另一方面使RUP1/RUP2COP1泛素化而降解,进而促使HY5蛋白稳定积累,光形态建成得以顺利进行。


综上,该研究首次在蛋白稳定性调控层面上解析了UV-B光信号转导机制,鉴定了在UV-B光信号转导过程中起“刹车“作用的泛素连接酶CUL4-DDB1-RUP1/RUP2,揭示了RUP1/RUP2影响UVR8构象之外的新功能,同时解析了COP1“以攻为守”,通过降解新底物RUP1/RUP2从而稳定HY5,实现功能反转的分子机制。CUL4-DDB1-RUP1/RUP2-HY5COP1-RUP1/RUP2这两套“泛素连接酶-底物”模块通过复杂又精细的调控作用,保证了植物对UV-B光信号的适度应答。该成果为UV-B光调控植物发育的机制研究阐明了新途径,为紫外光能源的科学利用提供了新思路。

厦门大学生命科学学院博士生任慧为论文第一作者,黄烯教授为通讯作者。该研究工作得到了北京大学邓兴旺教授、福建农林大学陈栩教授的大力支持,在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下完成。

原文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/02/15/1816268116

(生命科学学院)