浙江大学潘荣辉团队与合作者揭示过氧化物酶体蛋白的定位信号特征

近日，浙江大学农业与生物技术学院潘荣辉研究员团队在The Plant Journal发表了题为Defining upstream enhancing and inhibiting sequence patterns for plant Peroxisome Targeting Signal type 1 using large-scale in silico and in vivo analyses的研究论文。该团队与浙大数据科学中心蒋杭进研究员团队和密歇根州立大学的胡剑平教授团队合作，通过大规模的统计学和细胞生物学实验分析，揭示了位于已知过氧化物酶体基质蛋白1型信号肽（Peroxisome Targeting Signal type 1，PTS1）上游的重要定位信号及其序列特征，解释了为何很多含有PTS1的蛋白不能定位于过氧化物酶体，以及为何PTS1能存在大量变异形式这两个长期存在的重要问题。

细胞器通过化学环境和底物可及性，决定代谢途径的功能。蛋白的亚细胞定位对其生理功能有关键影响。过氧化物酶体是代谢功能异常丰富的细胞器，在植物的光呼吸、脂肪酸与氨基酸代谢、激素代谢、活性氧代谢、辅酶合成、嘌呤代谢中发挥重要功能。而且，过氧化物酶体的代谢功能和蛋白组成常具有物种和组织特异性。过氧化物酶体与作物产量和抗性密切相关，其功能缺陷会降低植物光合，削弱抗病虫能力，造成发芽抑制、配子不育、胚胎死亡等（Pan et al., New Phytologist, 2020; Pan et al., JIPB, 2019）。因此，研究植物过氧化物酶体的蛋白组成和代谢网络有重要的科学意义和应用价值。

绝大部分过氧化物酶体基质蛋白含有位于C端的PTS1信号，也有少数蛋白含有靠近N端的PTS2信号。在后基因组时代，可以通过生信工具来预测蛋白的PTS，但是当前PTS信号肽的规律还远未被充分认识，限制了预测精度。比如还不能明确解释为何大量含有PTS1的蛋白并不能定位于过氧化物酶体，以及PTS1为何存在大量变异形式且依然能发挥过氧化物酶体定位功能。此外，当前植物合成生物学兴起，过氧化物酶体作为主要的多功能代谢细胞器是潜在的生物反应器，对其蛋白定位信号的序列特征的充分研究也有助于在植物代谢工程中设计改造过氧化物酶体代谢通路。

为了揭示植物PTS1未知的序列特征，在本研究中，作者利用了上百种植物物种的蛋白组序列进行了大规模深入的统计和实验分析，揭示了大量PTS1变异形式，并且发现在已知PTS1信号肽的上游序列中存在增强过氧化物酶体定位和抑制过氧化物酶体定位的信号序列（Targeting Enhancing/Inhibiting Pattern）。其中，氨基酸的极性和电荷是主要的影响因素。在上游序列中，紧邻PTS1的三个残基发挥核心作用，并以“碱性-非极性-碱性”为最强的增强模式。本研究接近完整定义了过氧化物酶体主要定位信号，为开发准确的过氧化物酶体蛋白预测算法和构建过氧化物酶体人造代谢通路提供了理论基础。

浙江大学农业与生物技术学院的潘荣辉研究员、浙江大学数据科学研究中心的蒋杭进研究员、密歇根州立大学的胡剑平教授为本文的共同通讯作者，潘荣辉团队的博士生邓倩文和博士后冯彦磊，以及浙江大学数据科学研究中心的硕士生李鹤为本文的共同第一作者。本研究得到了浙江省创新创业领军人才引进项目、浙大杭州国际科创中心青年人才卓越计划、浙大百人计划、国家自然科学基金、浙江省教育厅科研基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.15840

参考文献：Pan R., Liu J., Wang S., Hu J.* (2020) Peroxisomes: versatile organelles with diverse roles in plants, New Phytologist, 225 (4), 1410-1427.Pan R.*, Liu J., Hu J.* (2019) Peroxisomes in plant reproduction and seed-related development. Journal of Integrative Plant Biology, 61 (7), 784-802.

转自：植物科学最前沿

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