北大郭红卫教授Plant Cell新文章

　　

生物通报道 近日来自北京大学生命科学学院的研究人员在在《植物细胞》杂志（Plant Cell）在线发表了题为“A Small-Molecule Screen Identifies L-Kynurenine as a Competitive Inhibitor of TAA1/TAR Activity in Ethylene-Directed Auxin Biosynthesis and Root Growth in Arabidopsis”的研究论文。

领导这一研究的是北京大学生命科学学院的郭红卫教授，其早年毕业于北京大学，1996年赴美留学，在加州大学洛杉矶分校（UCLA）攻读博士学位，期间在学业和科研上都取得了重大成绩，毕业后进入世界著名的Salk研究所做博士后工作，2005年9月回国，任职北京大学生命科学学院，2006年受聘国家教育部“****”奖励计划特聘教授，博士生导师。郭卫红教授长期从事植物分子生物学及遗传学方面的研究，目前已在Cell，Science，Nature，PNAS，Development，Plant Journal等国际顶级学术刊物上发表论文多篇，在国际上有着广泛的学术影响力。

植物激素以及激素间的相互作用对于植物适应环境是极为重要的。生长素和乙烯都是重要的植物激素。乙烯促进植物根内的生长素合成对于乙烯调节的根发育起关键作用。长期以来生长素被认为是由植物地上部分合成后再运输到根部发挥作用，直到近几年才被发现生长素可以在植物根部直接合成，且这一合成过程受到乙烯的调控。尽管根自身生长素合成的发现在植物学研究领域引起轰动，但由于该合成途径中的关键组分TAA家族基因具有冗余性且多突变体导致不育甚至致死，给该通路的研究带来困难。

在这篇文章中，研究人员利用化学遗传学的方法通过筛选含2000多种组分的小分子文库，鉴定到小分子—L-Kynurenine（Kyn），可以显著抑制乙烯对根生长的影响。进一步研究发现该小分子可以特异性抑制拟南芥根中的乙烯应答以及生长素合成。通过大量遗传学、细胞学及酶学实验最终确定了Kyn的作用靶点为植物根自身生长素合成关键酶—TAA/TAR 氨基转移酶，进而阐明其作用机制为Kyn竞争性抑制TAA/TAR 氨基转移酶活性，从而抑制生长素合成。分子建模的数据也表明Kyn是TAA/TAR家族蛋白特异而高效的竞争性抑制剂。

Kyn是生长素合成通路发现的第一个特异性的小分子抑制剂，为探究TAA/TAR依赖的生长素合成通路提供了有效方法。同时该研究也首次发现了生长素对乙烯的调控可能存在不依赖于乙烯合成途径，而直接作用于乙烯信号通路关键转录因子EIN3的调控模式，暗示生长素合成和乙烯信号通路之间存在潜在的正反馈调节环，为复杂的生长素作用机制以及生长素与乙烯之间的相互作用研究领域开辟了新的研究视角。

生物通推荐原文摘要：

A Small-Molecule Screen Identifies l-Kynurenine as a Competitive Inhibitor of TAA1/TAR Activity in Ethylene-Directed Auxin Biosynthesis and Root Growth in Arabidopsis[C][W

The interactions between phytohormones are crucial for plants to adapt to complex environmental changes. One example is the ethylene-regulated local auxin biosynthesis in roots, which partly contributes to ethylene-directed root development and gravitropism. Using a chemical biology approach, we identified a small molecule, l-kynurenine (Kyn), which effectively inhibited ethylene responses in Arabidopsis thaliana root tissues. Kyn application repressed nuclear accumulation of the ETHYLENE INSENSITIVE3 (EIN3) transcription factor. Moreover, Kyn application decreased ethylene-induced auxin biosynthesis in roots, and TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1/TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATEDs (TAA1/TARs), the key enzymes in the indole-3-pyruvic acid pathway of auxin biosynthesis, were identified as the molecular targets of Kyn. Further biochemical and phenotypic analyses revealed that Kyn, being an alternate substrate, competitively inhibits TAA1/TAR activity, and Kyn treatment mimicked the loss of TAA1/TAR functions. Molecular modeling and sequence alignments suggested that Kyn effectively and selectively binds to the substrate pocket of TAA1/TAR proteins but not those of other families of aminotransferases. To elucidate the destabilizing effect of Kyn on EIN3, we further found that auxin enhanced EIN3 nuclear accumulation in an EIN3 BINDING F-BOX PROTEIN1 (EBF1)/EBF2-dependent manner, suggesting the existence of a positive feedback loop between auxin biosynthesis and ethylene signaling. Thus, our study not only reveals a new level of interactions between ethylene and auxin pathways but also offers an efficient method to explore and exploit TAA1/TAR-dependent auxin biosynthesis.

作者简介：

郭红卫 博士
北京大学 生命科学学院 教授、****

主要研究方向：
1 拟南芥中乙烯信号转导及植物激素间相互作用的分子机制
2 植物衰老的激素调控机理
3 小RNA分子和RNA降解的机理研究
4 植物激素的功能基因组和蛋白质组学研究

本研究组主要课题是研究植物激素乙烯信号转导的分子机制，以及在植物发育、衰老和胁迫反应中乙烯与其它激素和信号途径的相互作用。我们利用拟南芥作为模式系统，研究乙烯在生长发育过程中信号转导的分子机制，发现了EIN3/EIL1转录因子在乙烯信号途径中的关键作用；阐明了EIN3/EIL蛋白的调控机理，建立了乙烯反应中由泛素/蛋白酶体介导的蛋白降解模型。另外，发现了一个外切核酸酶EIN5在乙烯反应途径中的重要调节作用，揭示了EIN5的作用是通过促进相关基因的mRNA降解来拮抗EIN3蛋白降解，从而建立了乙烯反应中小RNA分子介导的RNA降解模型。同时，我们还发现乙烯和许多植物信号途径（包括光、胁迫条件、病原侵染及其它植物激素）在不同的植物发育及抗性过程中存在复杂的相互作用。因此我们将致力于研究乙烯作用过程的分子步骤及其调控机制，阐明在植物发育、衰老和胁迫抗性中乙烯和其他信号途径的相互作用机理。同时，我们将结合功能基因组学和蛋白质组学来探索系统研究植物信号转导的新方法。