拟南芥线粒体Lon1蛋白酶调控PPR蛋白介导的RNA加工机制研究

本研究揭示了拟南芥线粒体Lon1蛋白酶通过选择性降解Pentatricopeptide-Repeat(PPR)蛋白调控RNA剪接和编辑的新机制。研究人员利用底物捕获技术和蛋白质组学方法，发现Lon1通过降解RNA加工相关PPR蛋白影响线粒体基因表达，为理解植物线粒体蛋白质质量控制与基因表达调控的分子联系提供了重要线索。该成果发表在《Journal of Experimental Botany》上。

　　

线粒体作为细胞的"能量工厂"，其正常功能的维持依赖于精细的蛋白质质量控制(PQC)系统。在植物中，环境胁迫会导致线粒体产生大量活性氧(ROS)，使蛋白质容易发生错误折叠或氧化损伤。Lon蛋白酶作为一类高度保守的ATP依赖蛋白酶，在维持线粒体稳态中发挥关键作用。然而，植物线粒体中Lon介导的蛋白质底物识别和降解机制仍不清楚，特别是其对RNA加工过程的调控作用尚未阐明。

希腊雅典农业大学(Agricultural University of Athens)的研究团队在《Journal of Experimental Botany》发表研究，通过构建拟南芥Lon1蛋白酶催化失活突变体(Lon1_trap)，结合蛋白质组学和转录组学分析，系统鉴定了Lon1的线粒体底物，并揭示了其通过调控Pentatricopeptide-Repeat(PPR)蛋白稳定性影响线粒体RNA加工的新机制。

研究人员主要采用以下关键技术：1)构建催化位点Ser841/Lys884突变的Lon1_trap蛋白捕获系统；2)免疫共沉淀结合质谱分析鉴定线粒体蛋白底物；3)体外ATP酶活性和蛋白降解实验验证Lon1功能；4)比较蛋白质组学分析lon1突变体线粒体蛋白变化；5)RNA-seq和RT-qPCR分析线粒体RNA剪接和编辑效率。

研究结果部分：

Lon1蛋白酶底物捕获系统鉴定线粒体靶蛋白

通过将Lon1催化中心的Ser841和Lys884突变为Ala，研究人员成功构建了能结合但不降解底物的Lon1_trap突变体。蛋白质组学分析鉴定出178个线粒体蛋白，其中58个在Lon1_trap中显著富集(Group I)，包括能量代谢相关酶、钙转运蛋白和4个PPR蛋白(PP289、PP290、PP351和PP282)。

lon1突变体线粒体蛋白质组特征

比较蛋白质组分析发现，lon1突变体中有99个蛋白显著积累，其中43个为PPR蛋白，主要参与RNA剪接和编辑。这些PPR蛋白可分为四类：I类(21个)与线粒体group II内含子剪接和RNA编辑相关；II类(8个)参与核糖体生物发生；III类(6个)专司RNA编辑；IV类(8个)功能未知。

Lon1选择性降解PPR蛋白

体外降解实验证实，Lon1能快速降解PP289、PP290、PP351和PP282等PPR蛋白，以及脂酸合成酶LIP1和钙转运蛋白MCU3/MCU6。而分子伴侣HSP60_2虽与Lon1功能相关，但并非其直接底物。

lon1突变体线粒体RNA加工缺陷

转录组分析显示，lon1突变体中除rps3外，所有含group II内含子的线粒体转录本(ccmFc、rpl2、cox2、nad1、nad2、nad4、nad5和nad7)均出现内含子滞留现象。RNA编辑分析发现，复合物I(nad1-7、nad9)、细胞色素c生物合成相关转录本(ccmFc、ccb203、ccb382)和核糖体大亚基蛋白的编辑效率显著降低，而核糖体小亚基蛋白(rps3、rps4、rps12)编辑效率反常升高。

该研究首次揭示了拟南芥Lon1蛋白酶通过选择性降解PPR蛋白调控线粒体RNA加工的质量控制机制。研究发现：1)Lon1直接降解参与RNA剪接和编辑的PPR蛋白，维持其稳态；2)Lon1缺失导致PPR蛋白异常积累，引起group II内含子剪接缺陷；3)不同功能类别线粒体转录本呈现差异化编辑模式，其中复合物I相关转录本编辑受损最为显著。这些发现为理解植物线粒体蛋白质降解与基因表达调控的协同机制提供了新视角，也为解析线粒体功能障碍与植物生长发育异常的关系奠定了理论基础。研究采用的底物捕获策略为鉴定其他ATP依赖蛋白酶的生理底物提供了方法学参考。