兰州大学PLOS解析赤霉素信号转导分子机理

　　

生物通报道：2014年7月10日，国际学术期刊《PLOS Genetics》（五年影响因子9.44）在线发表了兰州大学的一项最新研究成果“Arabidopsis DELLA Protein Degradation Is Controlled by a Type-One Protein Phosphatase, TOPP4”， 该研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修饰的分子机理，解决了GA信号转导中去磷酸化修饰这一经典的生物学问题，对植物激素信号转导机理研究和实际生产中农作物改良等具有重要的科学价值。

本文通讯作者为兰州大学生命科学学院细胞活动与逆境适应教育部重点实验室的博士生导师侯岁稳教授，其1994年毕业于西北师范大学生物系，1997年于中科院昆明植物研究所获硕士学位，2004年在兰州大学生命科学学院获博士学位，2002年至2003年，为英国剑桥大学访问学者，2005年至2008年在中科院近代物理研究所从事博士后研究。研究方向为植物激素作用分子机理、植物气孔和表皮细胞发育与形态建成调控机理，先后在The Plant Journal、Planta、Journal of Experimental Botany、PLOS Genetics等国际学术期刊发表论文多篇。第一作者是侯岁稳教授指导的博士研究生秦倩倩，合作者是黎家教授。

赤霉素（GAs）是一类重要的植物激素，介导正常植物生命过程中几乎所有的生理活动，包括种子萌发、叶片的形成、细胞伸长和开花时间的控制等等。在最近的几十年中，研究人员使用遗传学和生化方法，已经描述了GA信号转导所必不可少的一些分子成分。一组这些成分是细胞核定位的DELLA蛋白。这些蛋白质属于一小组GRAS转录调节因子家族，在其N末端包含特定的DELLA序列，在C末端包含保守的GRAS结构域。它们是GA信号转导通路的关键抑制因子。在拟南芥基因组中，有5个DELLA蛋白，分别被称为GA INSENSITIVE (GAI)、REPRESSOR OF ga1-3 (RGA)、REPRESSOR OF ga1-3-LIKE protein (RGL)1、RGL2和RGL3。

遗传学分析表明，这些DELLA蛋白有重叠，有时在植物生长和发育的调控过程中发挥不同的作用。例如，GAI和RGA对于茎的伸长很重要；RGL2调控种子的萌发；而RGA、RGL1和RGL2参与花的发育。最近，已有研究阐明了一个主要的GA信号转导级联。在细胞核中，GA是通过其受体GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 (GID1)感知的。配体-受体复合物的形成可提高GID1和DELLA蛋白质DELLA结构域的相互作用，导致它们的直接灭活或通过SCFSLY1/GID2 (Skp1-Cullin-F-box蛋白复合体) E3连接酶的泛素化。泛素化的DELLA蛋白随后被26S蛋白酶体系统降解，触发GA响应。

另一方面，当缺少GA时，DELLA蛋白稳定定位在细胞核中，在那里它们与其他转录因子相互作用，抑制GA应答基因的转录，抑制拟南芥中的生长和发育过程。DELLAs通过与其他转录因子相互作用，也促进GID1b的转录，通过上调GA生物合成基因GA 20-oxidases 2 (GA20ox2)和GA 3-oxidases 1 (GA3ox1)的表达，保持GA的内稳态。此外，DELLA蛋白是其他植物激素（包括生长素、乙烯、脱落酸、油菜素内酯、茉莉酮酸酯）和环境因素（如阳光、寒冷和盐）的重要整合因子。

最近，有研究发现这些蛋白质可调节皮层微管组织。除了泛素化和糖基化之外，有限的证据也表明，DELLA蛋白也由可逆的蛋白磷酸化和去磷酸化所调节。然而，我们对于详细的分子机制却知之甚少，参与这个过程的蛋白磷酸酶也尚无报道。

蛋白磷酸酶1（PP1s）是一大组丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白磷酸酶。虽然它们在植物中的功能仍不确定，但它们在真核生物中广泛地表达，调节动物的不同细胞过程。在拟南芥中，PP1s被称为1型蛋白磷酸酶（TOPPs）。以往的研究表明，它们调节胚胎发育和蓝光依赖的气孔开放。总之，TOPPs调节植物生长和发育的分子机制还没有得到很好的研究。

在这项研究中，研究人员通过筛选化学诱变的拟南芥突变体库，获得一个突变体topp4-1，并针对该突变体深入研究了GA信号通路以及DELLA蛋白去磷酸化修饰。该课题组与黎家教授实验室合作，通过基因图位克隆、遗传学分析、蛋白质互作、去磷酸化分析等一系列的方法证明，一种新的蛋白磷酸酶TOPP4可以与DELLA蛋白相互作用并将其去磷酸化，引起GA介导的DELLA蛋白的降解，正调节GA信号转导过程，促进植物的生长发育。该研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修饰的分子机理，解决了GA信号转导中去磷酸化修饰这一经典的生物学问题，对植物激素信号转导机理研究和实际生产中农作物改良等具有重要的科学价值。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Arabidopsis DELLA Protein Degradation Is Controlled by a Type-One Protein Phosphatase, TOPP4
Abstract：Gibberellins (GAs) are a class of important phytohormones regulating a variety of physiological processes during normal plant growth and development. One of the major events during GA-mediated growth is the degradation of DELLA proteins, key negative regulators of GA signaling pathway. The stability of DELLA proteins is thought to be controlled by protein phosphorylation and dephosphorylation. Up to date, no phosphatase involved in this process has been identified. We have identified a dwarfed dominant-negative Arabidopsis mutant, named topp4-1. Reduced expression of TOPP4 using an artificial microRNA strategy also resulted in a dwarfed phenotype. Genetic and biochemical analyses indicated that TOPP4 regulates GA signal transduction mainly via promoting DELLA protein degradation. The severely dwarfed topp4-1 phenotypes were partially rescued by the DELLA deficient mutants rga-t2 and gai-t6, suggesting that the DELLA proteins RGA and GAI are required for the biological function of TOPP4. Both RGA and GAI were greatly accumulated in topp4-1 but significantly decreased in 35S-TOPP4 transgenic plants compared to wild-type plants. Further analyses demonstrated that TOPP4 is able to directly bind and dephosphorylate RGA and GAI, confirming that the TOPP4-controlled phosphorylation status of DELLAs is associated with their stability. These studies provide direct evidence for a crucial role of protein dephosphorylation mediated by TOPP4 in the GA signaling pathway.