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我学会理事沈锦波教授在PNAS发文解析种子贮藏蛋白转运的细胞分子机制
时间:2022-06-20 编辑:admin 浏览:(132

近日,我学会理事、浙江农林大学国家重点实验室沈锦波教授课题组在国际高水平学术期刊《PNAS》在线发表了题为“Plant ESCRT Protein ALIX Coordinates with Retromer Complex in Regulating Receptor Mediated Sorting of Soluble Vacuolar Proteins”(植物ESCRT复合体组分蛋白ALIX与逆转运复合体协同作用调控可溶性蛋白分选)的研究论文。该研究揭示了ALIX蛋白与逆转运复合体相互协作,调控种子蛋白存储的分子机制,为培育高质量、高品质的农林作物种子提供理论依据。

习近平总书记在海南考察时指出,中国人的饭碗要牢牢端在自己手中,就必须把种子牢牢攥在自己手里。种子不仅是植物遗传繁殖器官,也是营养物质的存储场所,更是粮食的重要来源之一。因此,在研究增强植物抗逆性、提高作物产量的同时,探索改善种子品质,对保收丰产、提高人民生活水平具有重要的科学意义和实际生产意义。在种子成熟过程中,贮藏蛋白及相关物质高效积累到种子中是决定种子质量的关键。但是,种子细胞内的贮藏蛋白运输,像人类社会的 “物流系统” 一样错综复杂,其具体的分子机制仍是一个谜团。

ALIX突变导致种子贮藏蛋白被分泌到细胞外,突变体中液泡分选受体VSR异常聚集,且错误锚定于质膜,失去功能。

该研究中,研究人员发现ESCRT蛋白ALIX基因缺失突变体能形成不正常的黄化种子,且种子没有活性。Western Blot检测显示大量贮藏蛋白,如2S白蛋白(2S albumin)和12S球蛋白(12S globulin),以前体的形式积累在突变体中。利用激光共聚焦显微镜和透射电子显微镜结合免疫胶体金标记技术,对黄化的种子观察发现,原本定位于PSV的贮藏蛋白GFP-CT24和2S白蛋白、12S球蛋白被大量分泌到细胞间隙,证明ALIX对于贮藏蛋白到PSV的运输是必需的。

为探究这一种子蛋白存储过程中与ALIX协同作用的调控因子,研究人员利用免疫共沉淀-质谱(IP-MS)蛋白质组学技术,鉴定到了ALIX的互作蛋白Vps26A,其是逆转运复合体Retromer的重要组分之一。利用Co-IP、Pull-down和Y2H多种蛋白互作技术,研究人员证明ALIX通过其内的bro1结构域与逆转运复合体具有强互作关系,还进一步证明了在种子发育过程中ALIX与逆转运复合体具有遗传互作关系,表现为双突变体种子发育存在严重的缺陷。亚细胞定位观察显示,ALIX与Vps26A和Vps29均具有一定比例的共定位关系,且功能完整的ALIX对于Vps26A和Vps29定位到MVB/PVC膜上具有重要调控作用。

最后,研究人员证实,2S和12S等贮藏型蛋白被分泌到细胞间隙的主要原因是由于ALIX基因功能缺失而导致液泡分选受体VSR无法正常行使功能而引起的。原本定位于MVB/PVC的GFP-AtVSR1在alix突变体中被错误的锚定于质膜上,且在细胞质中形成较大的簇状结构,且VSR的降解受到抑制。免疫胶体金标记显示,突变体中VSR聚集定位到类似于DVs(dense vesicles)的结构上,并最终与细胞膜的融合。由此,该研究指出ALIX与Retromer复合体协同作用,维持VSR处于囊泡分选过程中的稳态,调控贮藏蛋白被精确分选到种子液泡进行存储。

浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室为该论文第一单位和通讯作者单位,浙江农林大学的沈锦波教授为该论文通讯作者,博士后胡帅为该论文第一作者,硕士生吴凡,博士生朱冬梅为共同作者。香港中文大学、华南师范大学、西班牙国家研究委员会、日本京都大学、日本甲南大学等高校和研究机构的专家教授均对本研究做出贡献。此研究获国家自然科学基金、浙江省杰青项目等多项基金资助。

沈锦波教授于2013香港中文大学生物系获得博士学位,先后入选浙江省千人计划(2018)、浙江省杰青(2019),浙江省高校领军人才培养计划高层次拔尖人才(2020),获教育部自然科学二等奖(2018)。他目前担任Plant Cell 助理编委,Faculty Opinions/F1000 Prime Associate Faculty Member,于2021年担任我学会理事。综合细胞生物学、分子生物学、遗传学、蛋白质组学等技术方法,在模式植物、农林作物中重点研究植物囊泡运输过程在植物生长发育、逆境响应中的调控作用机理研究。相关研究成果在PNAS, Nature Communications, Molecular Plant, Plant Cell, Trends in Plant Science等国际高水平学术期刊发表。

全文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2200492119