左建儒组Mol Cell揭示蛋白质翻译后修饰互作调控植物胁迫反应的新机制丨BioArt特别推荐

BioArt按：甲基化与一氧化氮(nitric oxide; NO)依赖的亚硝基化修饰是高度保守的蛋白质翻译后修饰，这两类修饰参与调控众多生物学过程，包括调控非生物胁迫反应。但二者调控非生物胁迫的分子机制不甚清楚。7月27日，中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究员课题组与合作者在Molecular Cell杂志在线发表了题为“Nitric oxide regulates protein methylation during stress responses in plants”的研究论文，报道了蛋白质亚硝基化与甲基化修饰互作调控植物胁迫反应的新机制。

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论文解读：

蛋白质S-亚硝基化修饰是其半胱氨酸残基的巯基基团的氢离子被一氧化氮取代而形成共价键相连的亚硝基硫醇(S-NO)的修饰过程。S-亚硝基化是一种基于氧化还原、可逆的蛋白质翻译后修饰，是NO调控蛋白质生物学活性的主要机制之一，参与调控几乎所有的信号通路(Astier et al., 2011; Hess et al., 2005)。目前对S-亚硝基化的生化和遗传调控机制了解甚少。甲基化修饰同样是一类重要的蛋白质翻译后修饰，其中蛋白质精氨酸甲基化修饰作为转录过程中的表观调控因子，在pre-mRNA剪切、DNA损伤修复和mRNA转录等过程中发挥重要作用(Blanc and Richard, 2016; Liu et al., 2010)。蛋白质精氨酸甲基转移酶5 (protein argine methyltransferase5; PRMT5)是一个在高等真核生物中高度保守的酶，催化精氨酸双对称性甲基化修饰，其底物包括pre-mRNA剪接体的核心组分。拟南芥PRMT5基因突变导致严重发育缺陷与胁迫反应异常等表型(Zhang et al., 2011)。

左建儒研究员课题组通过亚硝基化蛋白质组学研究，发现PRMT5蛋白质被亚硝基化修饰(Hu et al., 2015)。进一步的分析发现PRMT5的第125位半胱氨酸存在亚硝基化修饰。该修饰正调控PRMT5甲基转移酶的活性以及在胁迫反应中对NO的响应（下图1）。

 

图1 PRMT5第125位半胱氨酸的亚硝基化修饰增强其甲基转移酶的活性并介导其对NO的相应

通过转基因研究发现胁迫反应导致植物体内一氧化氮爆发，进而对PRMT5第125位半胱氨酸残基特异的亚硝基化修饰正调控其蛋白甲基转移酶的活性，介导了与胁迫相关基因pre-mRNA在胁迫条件下的正常剪切，因而增强了植物对胁迫的耐受性，并特异性地介导了在胁迫条件下对NO的相应（下图2）。

 

图2 PRTM5的亚硝基化修饰调控胁迫反应与对NO的响应

上述研究发现了NO通过亚硝基化修饰调控PRMT5蛋白质甲基化活性，从而特异性协调植物拮抗非生物胁迫的分子机制（下图3）。

 

图3 蛋白质亚硝基化与甲基化通路互作调控植物胁迫反应的工作模型图

据悉，该论文由左建儒研究组与遗传发育所曹晓风研究组、鲍时来研究组以及中国科学院微生物研究所孔照胜研究组合作完成。左建儒研究组博士后胡济梁博士、左建儒研究组与孔照胜研究组联合培养博士后杨焕杰博士为该论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委、、植物基因组学国家重点实验室以及由中国博士后科学基金会与中国科学院联合资助的博士后基金等项目的资助。

参考文献：

1、Astier, J., Rasul, S., Koen, E., Manzoor, H., Besson-Bard, A., Lamotte, O., Jeandroz, S., Durner, J., Lindermayr, C., and Wendehenne, D. (2011). S-nitrosylation: An emerging post-translational protein modification in plants. Plant Sci 181, 527-533.

2、Blanc, R.S., and Richard, S. (2016). Arginine methylation: the coming age. Mol Cell 65, 8-24.

3、Hess, D.T., Matsumoto, A., Kim, S.O., Marshall, H.E., and Stamler, J.S. (2005). Protein S-nitrosylation: purview and parameters. Nat Rev Mol Cell Biol 6, 150-166.

4、Hu, J., Huang, X., Chen, L., Sun, X., Lu, C., Zhang, L., Wang, Y., and Zuo, J. (2015). Site-specific nitrosoproteomic identification of endogenously S-nitrosylated proteins in Arabidopsis. Plant Physiol 167, 1731-1746.

5、Liu, C., Lu, F., Cui, X., and Cao, X. (2010). Histone methylation in higher plants. Annu Rev Plant Biol 61, 395-420.

6、Zhang, Z., Zhang, S., Zhang, Y., Wang, X., Li, D., Li, Q., Yue, M., Li, Q., Zhang, Y.-e., Xu, Y., et al. (2011). Arabidopsis floral initiator SKB1 confers high salt tolerance by regulating transcription and pre-mRNA splicing through altering histone H4R3 and small nuclear ribonucleoprotein LSM4 methylation. Plant Cell 23, 396-411.

左建儒研究员简介

左建儒，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员，博士生导师，植物基因组学国家重点实验室主任。课题组主要研究方向是一氧化氮调控植物生长发育与胁迫反应的分子机制、调控水稻氮营养的分子机制。1984年7月毕业于西南师范大学生物系，获学士学位。。1994年12月获美国迈阿密大学博士学位，1995年进入美国洛克菲勒大学进行博士后研究。2000年入选中国科学院“百人计划”，并在解题验收中获得优秀。2001年获得国家杰出青年科学基金。Molecular Plant, Journal of Genetics and Genomics, Science Bulletin, Physiologia Plantarum, 植物学报等刊物副主编或编委。

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