左建儒組Mol Cell揭示蛋白質翻譯后修飾互作調控植物脅迫反應的新機制丨BioArt特別推薦

BioArt按：甲基化與一氧化氮(nitric oxide; NO)依賴的亞硝基化修飾是高度保守的蛋白質翻譯后修飾，這兩類修飾參與調控眾多生物學過程，包括調控非生物脅迫反應。但二者調控非生物脅迫的分子機制不甚清楚。7月27日，科學院遺傳與發育生物學研究所左建儒研究員課題組與合作者在Molecular Cell雜誌在線發表了題為「Nitric oxide regulates protein methylation during stress responses in plants」的研究論文，報道了蛋白質亞硝基化與甲基化修飾互作調控植物脅迫反應的新機制。

論文解讀：

蛋白質S-亞硝基化修飾是其半胱氨酸殘基的巰基基團的氫離子被一氧化氮取代而形成共價鍵相連的亞硝基硫醇(S-NO)的修飾過程。S-亞硝基化是一種基於氧化還原、可逆的蛋白質翻譯后修飾，是NO調控蛋白質生物學活性的主要機制之一，參與調控幾乎所有的信號通路(Astier et al., 2011; Hess et al., 2005)。目前對S-亞硝基化的生化和遺傳調控機制了解甚少。甲基化修飾同樣是一類重要的蛋白質翻譯后修飾，其中蛋白質精氨酸甲基化修飾作為轉錄過程中的表觀調控因子，在pre-mRNA剪切、DNA損傷修復和mRNA轉錄等過程中發揮重要作用(Blanc and Richard, 2016; Liu et al., 2010)。蛋白質精氨酸甲基轉移酶5 (protein argine methyltransferase5; PRMT5)是一個在高等真核生物中高度保守的酶，催化精氨酸雙對稱性甲基化修飾，其底物包括pre-mRNA剪接體的核心組分。擬南芥PRMT5基因突變導致嚴重發育缺陷與脅迫反應異常等表型(Zhang et al., 2011)。

左建儒研究員課題組通過亞硝基化蛋白質組學研究，發現PRMT5蛋白質被亞硝基化修飾(Hu et al., 2015)。進一步的分析發現PRMT5的第125位半胱氨酸存在亞硝基化修飾。該修飾正調控PRMT5甲基轉移酶的活性以及在脅迫反應中對NO的響應（下圖1）。

圖1 PRMT5第125位半胱氨酸的亞硝基化修飾增強其甲基轉移酶的活性並介導其對NO的相應

通過轉基因研究發現脅迫反應導致植物體內一氧化氮爆發，進而對PRMT5第125位半胱氨酸殘基特異的亞硝基化修飾正調控其蛋白甲基轉移酶的活性，介導了與脅迫相關基因pre-mRNA在脅迫條件下的正常剪切，因而增強了植物對脅迫的耐受性，並特異性地介導了在脅迫條件下對NO的相應（下圖2）。

圖2 PRTM5的亞硝基化修飾調控脅迫反應與對NO的響應

上述研究發現了NO通過亞硝基化修飾調控PRMT5蛋白質甲基化活性，從而特異性協調植物拮抗非生物脅迫的分子機制（下圖3）。

圖3 蛋白質亞硝基化與甲基化通路互作調控植物脅迫反應的工作模型圖

據悉，該論文由左建儒研究組與遺傳發育所曹曉風研究組、鮑時來研究組以及科學院微生物研究所孔照勝研究組合作完成。左建儒研究組博士后胡濟梁博士、左建儒研究組與孔照勝研究組聯合培養博士后楊煥傑博士為該論文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院戰略先導研究計劃B、植物基因組學國家重點實驗室以及由博士后科學基金會與科學院聯合資助的博士后基金等項目的資助。

參考文獻：

1、Astier, J., Rasul, S., Koen, E., Manzoor, H., Besson-Bard, A., Lamotte, O., Jeandroz, S., Durner, J., Lindermayr, C., and Wendehenne, D. (2011). S-nitrosylation: An emerging post-translational protein modification in plants. Plant Sci 181, 527-533.

2、Blanc, R.S., and Richard, S. (2016). Arginine methylation: the coming age. Mol Cell 65, 8-24.

3、Hess, D.T., Matsumoto, A., Kim, S.O., Marshall, H.E., and Stamler, J.S. (2005). Protein S-nitrosylation: purview and parameters. Nat Rev Mol Cell Biol 6, 150-166.

4、Hu, J., Huang, X., Chen, L., Sun, X., Lu, C., Zhang, L., Wang, Y., and Zuo, J. (2015). Site-specific nitrosoproteomic identification of endogenously S-nitrosylated proteins in Arabidopsis. Plant Physiol 167, 1731-1746.

5、Liu, C., Lu, F., Cui, X., and Cao, X. (2010). Histone methylation in higher plants. Annu Rev Plant Biol 61, 395-420.

6、Zhang, Z., Zhang, S., Zhang, Y., Wang, X., Li, D., Li, Q., Yue, M., Li, Q., Zhang, Y.-e., Xu, Y., et al. (2011). Arabidopsis floral initiator SKB1 confers high salt tolerance by regulating transcription and pre-mRNA splicing through altering histone H4R3 and small nuclear ribonucleoprotein LSM4 methylation. Plant Cell 23, 396-411.

左建儒，科學院遺傳與發育生物學研究所研究員，博士生導師，植物基因組學國家重點實驗室主任。課題組主要研究方向是一氧化氮調控植物生長發育與脅迫反應的分子機制、調控水稻氮營養的分子機制。1984年7月畢業於西南師範大學生物系，獲學士學位。1988年7月獲中科院遺傳與發育生物學研究所碩士學位。1994年12月獲美國邁阿密大學博士學位，1995年進入美國洛克菲勒大學進行博士后研究。2000年入選科學院「百人計劃」，並在解題驗收中獲得優秀。2001年獲得國家傑出青年科學基金。Molecular Plant, Journal of Genetics and Genomics, Science Bulletin, Physiologia Plantarum, 植物學報等刊物副主編或編委。

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