位置:首页 > 新闻动态 > 科研进展  
许操研究组发现ROS激发的蛋白质相分离控制植物干细胞命运

  大约24-38亿年前,地球开始产生氧气,大气层由厌氧环境逐渐转变为富氧环境,自然选择促进了耗氧生物的生存优势和生命演化。耗氧代谢增加了多细胞生物的能量代谢效率,但高频的电子传递和能量转换不可避免地产生化学性质活泼、具有高度氧化力的活性氧分子(Reactive Oxygen Species, ROS),主要包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基以及一氧化氮等。细胞内累积过量ROS会导致DNA的氧化损伤以及蛋白质行为的改变, 引起细胞病变和死亡。 因此,长期以来,活性氧被认为是一种危险信号。多细胞生物正常生长发育过程中旺盛的能量代谢会产生大量ROS,除了自身清除机制,它们是否进化出更为节能的办法变废为宝,将危险信号变成有益信号?植物难以像动物那样自由移动来规避各种风险,它们是否进化出更为灵活和聪明的策略驾驭这些危险信号? 

 

  2021225Nature Chemical Biology 在线发表了题为ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的论文(DOI:10.1038/s41589-021-00739-0)。报道了中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组与合作者关于ROS激发蛋白质相分离控制干细胞命运的研究进展。该研究发现,正常生长发育的番茄茎尖分生组织周边区亦积累过氧化氢,它可以作为有益的发育信号,以依赖TMF的方式调控茎尖分生组织成熟和番茄开花时间。番茄茎尖分生组织成熟是一个精准的程序化发育过程,TMF编码一个含有保守半胱氨酸(Cysteine)的转录因子,通过抑制茎尖分生组织过早成熟(Precocious maturation),确保开花有序进行。TMF是控制茎尖干细胞命运,保障分生组织时序性发育的关键基因,它突变后,番茄过早开花,而且花序由多花变为单花。TMF在番茄茎尖分生组织的周边区特异表达,与过氧化氢积累的位置有部分重叠,而在这一区域表达的TMF蛋白在细胞核内呈现斑点状定位模式(Puncta)。进一步研究发现,TMF蛋白的半胱氨酸可以被在此累积的过氧化氢氧化,形成分子间和分子内的二硫键,二硫键促进TMF的天然无序区域(Intrinsically disordered region, IDR)聚集,增强了多价相互作用(Multivalency),进而驱动蛋白质相分离,靶向花原基(Floral meristem)分化基因ANATHA(AN),形成转录凝聚体(Transcriptional condensate),精准调控番茄茎尖分生组织的成熟(Meristem maturation)和开花。 

 

  该文章是迄今世界第一篇以作物为研究模式报道蛋白质相分离机制的科研论文。研究发现了一种新的蛋白质相分离机制:干细胞利用能量代谢的副产物ROS作为氧化信号,诱导转录因子二硫键形成和天然无序区多价作用,产生双驱动力引发相分离。该研究成果第一次将活性氧信号、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号,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。 

 

  该文章被Nature Chemical Biology选为featured article, 并配发了题为“Redox control of flowering”的亮点推荐和专评(https://www.nature.com/articles/s41589-021-00758-x)。评论认为该研究是“Particularly exciting”的重大突破,完全更新了人们对ROS以及植物干细胞调控机制的认识。 

 

  许操研究组博士后黄小珍、博士研究生陈树栋为该论文的共同第一作者,许操研究员为论文通讯作者,清华大学李丕龙研究员为共同通讯作者。清华大学李丕龙研究组李维平、许操研究组唐伶俐、章月琴(现广东海洋大学)、杨宁、邹玉盼、翟夏琬(现江西农业大学)、肖楠、刘伟对该工作做出重要贡献。该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。该研究得到中国科学院基础前沿科学研究计划从01原始创新项目、中国科学院A类战略先导科技专项、科技部重点研发计划、自然基金委项目以及植物基因组学国家重点实验室资金支持。 

 

 

图:活性氧激发转录因子蛋白质相分离控制植物干细胞命运