Science Advances | 逆行信号MEcPP和金属蛋白酶VIR3相互作用调节质体代谢和结构状态

近日，美国加州大学Katayoon Dehesh等科研学者在国际著名期刊Science Advances发表题为“Reciprocity between a retrograde signal and a putative metalloprotease reconfigures plastidial metabolic and structural states”的研究论文。本研究证实质体应激诱导的逆行信号代谢物MEcPP和金属蛋白酶VIR3之间存在相互联系，并调节质体代谢和质体结构状态以响应环境刺激，进而影响核基因的表达。

DOI: 10.1126/sciadv.abo0724

质体是细胞代谢、信号传递的中心，能够通过调节蛋白质的水解和含量维持机体蛋白质的稳定。质体的甲基赤藓糖醇磷酸(MEP)途径是一种中心质体生化途径，还是一条传感和信号传导途径。其中间产物2-C-甲基-d-赤藓糖醇-2,4-环焦磷酸 (MEcPP)就具有协调应激反应核基因表达的能力。但MEcPP介导的信号转导途径的关键基因还需探究。

前人研究显示，ceh1突变体积累了高水平的质体逆行信号代谢物MEcPP。为了鉴定MEcPP介导的信号转导途径的遗传成分，研究者使用甲磺酸乙酯(EMS)诱变ceh1突变体，探究能够使其发生回复突变的基因。全基因组测序将VIR3鉴定为候选基因，该基因的第四个内含子剪接位点存在点突变的，从而干扰了内含子的剪接以及引起密码子的提前终止（图1E）。将ceh1与vir3-1突变体进行杂交（图1E），发现vir3能够恢复ceh1植株矮化的表型，并且SA的含量也有所恢复。为了确定MEcPP水平对信号转导通路影响，研究者使用DEX（地塞米松）对WT（HDSi）和vir3突变体（HDSi/vir3-1）进行诱导。实验结果显示VIR3是MEcPP信号转导途径的一个组成部分，可以限制水杨酸（SA）的产生。共聚焦显微镜显示了VIR3的质体定位。

VIR3的C末端含有锌结合序列，为了探究该序列的作用，研究者构建了包含点突变的pUBQ::VIR3H239Y -FLAG载体。在连续光照条件下，vir3-1和vir3 -1/ pUBQ::VIR3H239Y-FLAG植株叶片显示出明显的杂色现象（图2，A）。该数据说明了锌结合结构域对VIR3功能的重要性，并进一步表明了酶在植物应激方面的相关功能。研究者接下来使用本氏烟草叶片进行瞬时表达pUBQ::VIR3-FLAG和pUBQ::VIR3H239Y-FLAG，使用FLAG抗体进行免疫沉淀，筛选VIR3互作蛋白。在筛选到的蛋白中，研究者注意到两个蛋白：APX的类囊体异构蛋白（tAPX；At1G77490）和质体GAPDH异构蛋白（GAPB；At1G42970）。LUC荧光互补实验以及Co-IP实验进一步验证了VIR3与tAPX、GAPB的互作（图2）。进一步的分析显示，MEcPP介导VIR3水平的增加与tAPX和GAPB的丰度呈负相关。

报道显示，tAPX具有抑制H2O2积累的功能。使用DAP进行染色，显示ceh1染色程度较强，说明这是ceh1中tAPX水平降低的结果。研究显示H2O2的功能之一是诱导质体中形成的充满基质的动态小管结构。SA含量检测显示，与 WT 、vir3-1相比，ceh1 / vir3-1中的SA水平明显升高，基质的数量显著增加（图3，B和C），暗示着SA与动态小管结构的形成有关。

研究者接下来使用强光（HL）作为外界胁迫，来检测VIR3在植物适应过程中的功能。实验显示，HL介导的WT和vir3-1突变体中MEcPP水平有所增加,。使用vir3-1 /VIR3OE-FLAG进行HL测定，显示MEcPP的增加与VIR3的含量有相关性。48小时HL处理的vir3-1植物中tAPX和GAPB的丰度有所增加，支持VIR3的丰度与其互作蛋白水平之间的负相关。此外，HL处理后，幼苗中动态管状结构明显增多，且WT中明显多于vir3-1突变体。以上结果再次重申了VIR3的功能。

综上所述，本研究使用突变体ceh1进行了抑制筛选，筛选到了能恢复其表型的、编码金属蛋白酶的基因VIR3。质体应激诱导的逆行信号代谢物MEcPP和金属蛋白酶VIR3之间存在相互联系。两者相互作用调节质体代谢和结构状态，以响应环境刺激，进而诱导核编码应激响应基因发挥作用（图4）。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0724

转自：植物生物技术Pbj

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