蘭州大學PLOS解析赤霉素信號轉導分子機理

　　2014年7月10日，國際學術期刊《PLOS Genetics》（五年影響因子9.44）在線發表了蘭州大學的一項最新研究成果“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理，解決了GA信號轉導中去磷酸化修飾這一經典的生物學問題，對植物激素信號轉導機理研究和實際生產中農作物改良等具有重要的科學價值。

　　本文通訊作者為蘭州大學生命科學學院細胞活動與逆境適應教育部重點實驗室的博士生導師侯歲穩教授，其1994年畢業于西北師范大學生物系，1997 年于中科院昆明植物研究所獲碩士學位，2004年在蘭州大學生命科學學院獲博士學位，2002年至2003年，為英國劍橋大學訪問學者，2005年至 2008年在中科院近代物理研究所從事博士后研究。研究方向為植物激素作用分子機理、植物氣孔和表皮細胞發育與形態建成調控機理，先后在The Plant Journal、Planta、Journal of Experimental Botany、PLOS Genetics等國際學術期刊發表論文多篇。第一作者是侯歲穩教授指導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，介導正常植物生命過程中幾乎所有的生理活動，包括種子萌發、葉片的形成、細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和生化方法，已經描述了GA信號轉導所必不可少的一些分子成分。一組這些成分是細胞核定位的DELLA蛋白。這些蛋白質屬于一小組GRAS轉錄調節因子家族，在其N末端包含特定的DELLA序列，在C末端包含保守的GRAS結構域。它們是GA信號轉導通路的關鍵抑制因子。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。

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

　　另一方面，當缺少GA時，DELLA蛋白穩定定位在細胞核中，在那里它們與其他轉錄因子相互作用，抑制GA應答基因的轉錄，抑制擬南芥中的生長和發育過程。DELLAs通過與其他轉錄因子相互作用，也促進GID1b的轉錄，通過上調GA生物合成基因GA 20-oxidases 2 (GA20ox2)和GA 3-oxidases 1 (GA3ox1)的表達，保持GA的內穩態。此外，DELLA蛋白是其他植物激素（包括生長素、乙烯、脫落酸、油菜素內酯、茉莉酮酸酯）和環境因素（如陽光、寒冷和鹽）的重要整合因子。

　　最近，有研究發現這些蛋白質可調節皮層微管組織。除了泛素化和糖基化之外，有限的證據也表明，DELLA蛋白也由可逆的蛋白磷酸化和去磷酸化所調節。然而，我們對于詳細的分子機制卻知之甚少，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，調節動物的不同細胞過程。在擬南芥中，PP1s被稱為1型蛋白磷酸酶（TOPPs）。以往的研究表明，它們調節胚胎發育和藍光依賴的氣孔開放。總之，TOPPs調節植物生長和發育的分子機制還沒有得到很好的研究。

　　在這項研究中，研究人員通過篩選化學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驗室合作，通過基因圖位克隆、遺傳學分析、蛋白質互作、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介導的DELLA蛋白的降解，正調節GA信號轉導過程，促進植物的生長發育。該研究揭示了DELLA 蛋白去磷酸化修飾的分子機理，解決了GA信號轉導中去磷酸化修飾這一經典的生物學問題，對植物激素信號轉導機理研究和實際生產中農作物改良等具有重要的科學價值。