位置:首頁 > 新聞動態 > 科研進展  
許操研究組發現ROS激發的蛋白質相分離控制植物幹細胞命運

  大約24-38億年前,地球開始産生氧氣,大氣層由厭氧環境逐漸轉變爲富氧環境,自然選擇促進了耗氧生物的生存優勢和生命演化。耗氧代謝增加了多細胞生物的能量代謝效率,但高頻的電子傳遞和能量轉換不可避免地産生化學性質活潑、具有高度氧化力的活性氧分子(Reactive Oxygen Species, ROS),主要包括超氧陰離子、過氧化氫、羟基自由基以及一氧化氮等。細胞內累積過量ROS會導致DNA的氧化損傷以及蛋白質行爲的改變, 引起細胞病變和死亡。 因此,長期以來,活性氧被認爲是一種危險信號。多細胞生物正常生長發育過程中旺盛的能量代謝會産生大量ROS,除了自身清除機制,它們是否進化出更爲節能的辦法變廢爲寶,將危險信號變成有益信號?植物難以像動物那樣自由移動來規避各種風險,它們是否進化出更爲靈活和聰明的策略駕馭這些危險信號? 

 

  2021225Nature Chemical Biology 在線發表了題爲ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的論文(DOI:10.1038/s41589-021-00739-0)。报道了中國科學院遗传与发育生物学研究所许操研究组与合作者关于ROS激發蛋白質相分離控制幹細胞命運的研究進展。該研究發現,正常生長發育的番茄莖尖分生組織周邊區亦積累過氧化氫,它可以作爲有益的发育信號,以依赖TMF的方式調控莖尖分生組織成熟和番茄開花時間。番茄莖尖分生組織成熟是一個精准的程序化發育過程,TMF編碼一個含有保守半胱氨酸(Cysteine)的轉錄因子,通過抑制莖尖分生組織過早成熟(Precocious maturation),確保開花有序進行。TMF是控制莖尖幹細胞命運,保障分生組織時序性發育的關鍵基因,它突變後,番茄過早開花,而且花序由多花變爲單花。TMF在番茄莖尖分生組織的周邊區特異表達,與過氧化氫積累的位置有部分重疊,而在這一區域表達的TMF蛋白在細胞核內呈現斑點狀定位模式(Puncta)。進一步研究發現,TMF蛋白的半胱氨酸可以被在此累積的過氧化氫氧化,形成分子間和分子內的二硫鍵,二硫鍵促進TMF的天然無序區域(Intrinsically disordered region, IDR)聚集,增強了多價相互作用(Multivalency),進而驅動蛋白質相分離,靶向花原基(Floral meristem)分化基因ANATHA(AN),形成轉錄凝聚體(Transcriptional condensate),精准調控番茄莖尖分生組織的成熟(Meristem maturation)和開花。 

 

  該文章是迄今世界第一篇以作物爲研究模式報道蛋白質相分離機制的科研論文。研究發現了一種新的蛋白質相分離機制:幹細胞利用能量代謝的副産物ROS作为氧化信號,诱导转录因子二硫键形成和天然无序区多价作用,产生雙驅動力引发相分离。该研究成果第一次将活性氧信號、蛋白质相分离和干细胞命运决定三个重要的生物学现象和科学问题建立了分子联系,并阐明了机制,系统验证了生物学功能,为该领域的突破性进展;首次将化学生物学信號,蛋白质行为直接与植物发育时序性转录调控联系在一起,更新了人们对植物茎尖干细胞命运决定机制的认识,将人们对发育生物学的认知推进到生物物理学和化学生物学层面,为使用交叉学科知识解析复杂生物学机制提供了范例。 

 

  該文章被Nature Chemical Biology選爲featured article, 並配發了題爲“Redox control of flowering”的亮點推薦和專評(https://www.nature.com/articles/s41589-021-00758-x)。評論認爲該研究是“Particularly exciting”的重大突破,完全更新了人們對ROS以及植物幹細胞調控機制的認識。 

 

  許操研究組博士後黃小珍、博士研究生陳樹棟爲該論文的共同第一作者,許操研究員爲論文通訊作者,清華大學李丕龍研究員爲共同通訊作者。清華大學李丕龍研究組李維平、許操研究組唐伶俐、章月琴(現廣東海洋大學)、楊甯、鄒玉盼、翟夏琬(現江西農業大學)、肖楠、劉偉對該工作做出重要貢獻。該工作得到王志珍院士、李家洋院士、Zachary Lippman教授、王磊研究员、杨靖研究员、蒋科研究员、吴庆钰研究员的指导和帮助。该研究得到中國科學院基础前沿科学研究计划从01原始创新项目、中國科學院A類戰略先導科技專項、科技部重點研發計劃、自然基金委項目以及植物基因組學國家重點實驗室資金支持。 

 

 

圖:活性氧激發轉錄因子蛋白質相分離控制植物幹細胞命運