Science Advances｜新加坡南洋理工大学研究人员揭示植物转录因子WRI1调控植物种子油合成的分子机理

2022年8月24日，Science Advances在线发表了新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University，Singapore）高永贵团队、马威团队及其合作者题为“Molecular basis of the key regulator WRINKLED1 in plant oil biosynthesis”的研究论文。该研究解析了拟南芥中 WRINKLED1（WRI1）蛋白及其识别的双链 DNA的晶体结构，并提出了基于结构对WRI1进行改造从而增加植物种子中的产油量的新思路。我们特邀了论文一作乔柱博士对原文进行了深度解读。

DOI: 10.1126/sciadv.abq121

油脂（三酰基甘油）是植物体非常重要的储存物质之一。其不仅可以为植物种子萌发，幼苗形态建成的过程提供能量，还可以为人类提供食用植物油，以及广泛的工业用途如作为肥皂、橡胶、油漆、医药等工业品的可再生原料。植物油也可用于生产生物油燃料，在解决石油替代和保护环境等问题上发挥作用。

植物种子油脂合成是一个非常复杂的生物学过程，其受到多个转录因子的调控。转录因子WRI1 (属于植物里APETALA2 (AP2)/EREBP (ethylene-responsive element-binding protein) 转录因子家族的一员) 是目前已知的种子油脂合成过程中最重要的转录因子。拟南芥wri1-1突变体中种子油含量相对野生型有大幅降低（约80%）。近年来研究表明，WRI1自身的活性又受到诸如翻译后修饰 (如磷酸化），与WRI1互作的蛋白等的调节。自从拟南芥发现该蛋白（AtWRI1）后，其同源蛋白也陆续在其它植物中发现，如大豆、油菜、玉米、向日葵等。WRI1在生物工程上也同样有重要的意义。多项研究表明，在植物稳定转化株系中过表达AtWRI1或其同源基因可以显著提高植物种子油含量。近年来的研究也在受AtWRI1调节的脂肪酸合成基因启动子区鉴定发现了AtWRI1特异识别的结合顺式元件AW-box([CnTnG](n)7[CG])。但是在分子结构水平上，AtWRI1是如何特异地结合其顺式元件，目前还是个未知的问题。

研究团队成功在体外表达拟南芥AtWRI1 的两个AP2 结构域（A58-A307），并纯化出状态均一的蛋白。研究发现体外纯化出的AtWRI1 可以强力结合其调控基因BCCP2的调控子片段BCCP2(-34/-11)。随后，研究团队利用X-射线晶体衍射技术解析了AtWRI1 和其结合DNA的晶体结构，并将该DNA片段的所有24个碱基和AtWRI1 残基 S59 到 I230 的区域明确建模。结果表明，AtWRI1-DNA复合物由两个AP2结构域组装而成，并在两个主要的相邻DNA大沟处与 DNA 结合。该复合物的两个 AP2 结构域高度相似，都是由三个β-折叠和一个α-螺旋组成。该研究还表明，第一个AP2结构域的H72, E79, W83, 和Q98能依靠氢键和π- π相互作用，特异性的识别结合AW box motif中第一个保守的DNA序列 5′C6T8G10。类似的，第二个AP2结构域的H175, E181, 和R183 也可以通过氢键和π- π相互作用，特异性的识别结合AW box motif的第二个保守的DNA序列 5′C18G19。两AP2结构域一起作用，决定AtWRI1可以特异性的结合AW-box（图1）。此外，研究团队还比对了来自不同植物物种的 WRI1 的序列。结果表明这两个 AP2 结构域序列高度保守，仅有N 端和 C 端的长度存在不同。值得注意的是，所有参与 DNA 结合的蛋白残基都是高度保守的，这表明 WRI1 蛋白与 DNA 的结合也是保守的。特别是第一个 AP2 结构域中的H72、E79、W83 和 Q98 残基，以及第二个 AP2 结构域中的 H175、E181 和 R183残基，这些与 DNA 碱基发生特定相互作用的氨基酸在不同植物中是完全保守的。最后，该研究还发现在定点突变这些保守的氨基酸残基后，AtWRI1与DNA的结合能力有不同程度的降低，从而表明这些保守的氨基酸残基对其DNA结合能力的重要性。同时，基于AtWRI1-DNA复合物结构，研究团队还设计了一系列突变尝试提高AtWRI1对于AW-box motif的亲和力。其中W74邻近DNA并与DNA的磷酸基团相互作用，并且不参与特异性的识别AW-box motif。通过W74R这一突变体的DNA结合力测量发现，这一突变可以提高AtWRI1蛋白对于DNA结合力达10倍之多。

通过与蛋白质结构数据库（PDB）中已知的Plasmodium falciparum 转录因子SIP2和DNA结合的结构（PDB ID ：6SY0）进行比对，研究者发现SIP2和AtWRI1的两个AP2结构域的相对构象是显著不同的。SIP2 通过α-β转角与特定的DNA识别，与 AtWRI1 通过β折叠识别DNA不同。AtWRI1通过β折叠特异性识别DNA的方式，和其他两个单个AP2结构域蛋白的结构是一致的 （图2）。

接下来研究团队首先利用本氏烟草叶片瞬时表达AtWRI1和AtWRI1 DNA元件结合能力减弱的一系列突变体，定量分析结果显示AtWRI1变体(H72A, R183A, Y192E, and E181A)介导的植物油产量较之野生型均有显著下降 （图3）。

研究团队也同时利用本氏烟草叶片瞬时表达AtWRI1和AtWRI1 DNA元件结合能力增强的几个变体，结果显示AtWRI1变体(W74R) 介导的植物油产量较之野生型AtWRI1有明显增高（图4A）。由于W74残基在WRI1同源蛋白中的保守，团队接下来也利用本氏烟草叶片瞬时表达系统比较分析了这个保守W残基在其它一些植物物种（包括玉米、油菜、亚麻荠、大豆）WRI1同源蛋白中介导植物油合成的能力。结果显示，这些测试的不同植物物种的WRI1变体 (W to R) 介导的植物油产量较之其对应的野生型WRI1均有明显增高（图4B）。为了进一步证实W74R突变对AtWRI1功能的重要性，团队通过拟南芥转化获得一系列稳定转基因 wri1-1植株。种子油量分析测定显示，转基因 wri1-1 表达AtWRI1变体(W74R) 的 种子油含量显著高于转基因 wri1-1表达AtWRI1的株系（图4C），进一步确定了W74残基对于AtWRI1功能的重要性。

综上所述，该研究提供了生物化学，结构和遗传方面的实验证据。揭示了WRI1结合其顺式元件AW-box的分子机理。由于植物油对于人类饮食、营养、能源、工业生产等领域的重要作用，提高植物油的产量同时维持可持续发展是人类当前面临的重要问题。该研究不仅对于植物油脂合成的基础科研的深入研究起到积极作用，同时对于利用生物工程手段提高植物油产量，满足人类对植物油日益提高的需求，提供了新的思路。

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！