Molecular Biology and Evolution | 杨树NRAMP3复制基因的功能分化

过渡金属对大量代谢反应至关重要，但它们的浓度需要在细胞和细胞室之间严格控制，因为金属过量或不平衡会产生有害影响。金属稳态是通过金属跨膜运输和金属与多种分子结合的组合实现的，包括蛋白质、小肽、氨基酸、有机酸和植物中的植物螯合蛋白或烟草胺等特殊代谢物。

许多转运蛋白家族参与维持金属稳态，要么用于金属摄取，将金属分配到生物体内的器官和细胞内的细胞器，要么用于去除和隔离多余的金属。例如，在拟南芥中，Mn被根中的AtNRAMP1（Natural Resistance-Associated Macrophage Protein 1）吸收，并通过AtNRAMP2分布在细胞内。AtMTP8（Metal Tolerance Protein 8）和 AtMTP11 属于不同的转运蛋白家族，分别负责将 Mn 从细胞质中运输到液泡或高尔基体反面膜囊网络结构 (the Trans-Golgi Network，TGN) 中。液泡用于储存过量的锰并防止其毒性。然而，当这种元素变得稀缺时，其他NRAMP家族成员，即AtNRAMP3和AtNRAMP4，能够吸收液泡中储存的锰。在分泌系统中，Mn是参与蛋白质糖基化的糖基转移酶的辅助因子。它还作为线粒体和过氧化物酶体中超氧化物歧化酶的辅助因子发挥重要作用。

虽然对拟南芥和水稻金属稳态分子机制的研究很多，但在杨树金属稳态分子机制的研究还很少。杨树既是几种物种基因组测序的模式树种，也是木材生产的重要工业作物。杨树在树种中表现出突出的生长产量，其木材主要用于工业生产轻包装和胶合板。一些研究已经挖掘了杨树基因组数据并鉴定了该物种中相关的金属转运蛋白，分析了相应基因的表达模式，部分还利用酵母实验证明了转运功能。这些研究经常强调金属稳态基因中复制的存在，这是杨树基因组中的一个普遍特征。但是，他们并没有详细调查复制拷贝的功能。

近日，法国巴黎萨克雷大学Sébastien Thomine团队在Molecular Biology and Evolution在线发表了题为“Duplication of NRAMP3 Gene in Poplars Generated Two Homologous Transporters with Distinct Functions”的文章，报告了杨树基因组包含编码 NRAMP3 金属转运蛋白串联定位的两个旁系同源物，并对两者的功能分化进行解析。

通过对P. trichocarpa 基因组中NRAMP基因进行系统发育和结构分析，观察到PotriNRAMP3.1 和 PotriNRAMP3.2 基因位于7号染色体的32 kb区域，编码88.2%相同的蛋白质。为了鉴定在P. trichocarpa 基因组中发现的NRAMP3复制的广泛程度，使用BLAST 在杨属物种的9 个基因组和4 个转录组中检索到类似于PotriNRAMP3.1 和 PotriNRAMP3.2 的序列，涵盖五个主要的杨属（Populus）部分。然而在柳属（Salix）物种中只能鉴定出一个NRAMP3，这表明该基因可能是在杨属和柳属分离时发生了复制。

随后，为了探究这两个同源基因的功能，作者克隆了P. trichocarpa NRAMP3.1和NRAMP3.2 的cDNA，并利用酵母系统进行表达分析。由于先前已显示几种植物 NRAMPs 在 Mn 稳态中起作用，因此作者研究了 PotriNRAMP3 运输这种金属的能力。为此，测试了它们是否可以补充无法在低锰条件下生长的 smf1和smf2锰转运蛋白酵母突变体。发现PotriNRAMP3 的两个拷贝都保留了金属传输能力，但其互补效率和金属积累能力存在差异，表明这两种转运蛋白之间的转运能力或定位存在差异。

细胞内定位的变化是导致新功能化的机制之一。为了观察 PotriNRAMP3.1 和 PotriNRAMP3.2 亚细胞定位，构建了表达这两种转运蛋白的 C 末端 GFP 融合蛋白的拟南芥和杨树转基因系。共聚焦显示，PotriNRAMP3.1 定位于 TGN，而 PotriNRAMP3.2 定位于液泡膜。表明PotriNRAMP3.2拷贝保留了在其他物种中表征的NRAMP3基因的亚细胞定位和功能，而PotriNRAMP3.1可能由于改变其亚细胞定位到 TGN 的突变而获得了新功能。为了研究PotriNRAMP3.1和PotriNRAMP3.2在杨树中的功能，构建了带GFP标签的超表达植株。发现位于TGN上的NRAMP3拷贝在控制锰的细胞间转运方面具有新的功能。

总之，本文的结果为杨树特异的 NRAMP 基因串联的新功能化提供了明确的案例。它还通过显示分泌途径在锰的细胞输出中的重要贡献，以及位于分泌途径的转运蛋白在锰的细胞储存调节中的重要作用，为二价阳离子的细胞间转运提供了新的见解。将来，有趣的是找出新功能化的 PotriNRAMP3.1 赋予的优势是什么，从而使该基因在所有被检测的杨树物种中得到保护。了解PotriNRAMP3.1、PotriNRAMP2和PotriMTP11在控制分泌途径中锰浓度方面的相互作用也是未来可以研究的一个方向。

原文链接：

https://academic.oup.com/mbe/article/39/6/msac129/6608349?searchresult=1

转自：植物生物技术Pbj

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