Science | 突破！凌祺桦博士等发现叶绿体蛋白降解新途径

叶绿体是植物中最特色鲜明的细胞器。叶绿体在10亿多年前起源于内共生的蓝细菌，是光合作用发生的场所。叶绿体通过光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，并将光能转变成化学能，为生物提供几乎所有的能量来源。同时，叶绿体也承担一系列代谢、发育和信号转导上的功能。

叶绿体中的蛋白质绝大部分在细胞核中编码，需要通过位于被膜的TOC and TIC（translocon at the outer and inner envelope membrane of chloroplasts）复合体转运进入叶绿体【1】。而维持叶绿体的功能不仅需要蛋白的组装，也需要调节蛋白质组的动态平衡。叶绿体内部蛋白的周转通过原核生物类型的蛋白酶（proteases）调节，而外膜蛋白则由叶绿体中的E3连接酶SP1介导的泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）降解，用于响应发育和环境的信号，但其中的机制并不清楚。像其它物种中的膜蛋白降解系统一样，TOC组分的降解需要额外的因子，来克服膜的障碍【4】。

2019年2月22日，Science 杂志发表了英国牛津大学植物系Paul Jarvis教授团队题为Ubiquitin-dependent chloroplast-associated protein degradation in plants 的研究长文。该研究发现了一个新的负责降解外膜蛋白的叶绿体蛋白降解系统，并深入地解析了这一系统的作用机制。该研究鉴定到了此系统的两个关键因子SP2和CDC48，发现它们协同负责对底物的逆向转运，以便被胞质中的蛋白酶体降解。牛津大学的Qihua Ling （凌祺桦）博士和William Broad为该论文的共同第一作者，Paul Jarvis教授为该论文的通讯作者。



在该研究中，研究人员通过正向遗传学筛选和蛋白组学分析发现了SP2和CDC48两个负责调控TOC复合体的组分。SP2位于叶绿体外膜，属于起源于原核生物的Omp85蛋白家族。该家族蛋白具有 β-barrel 结构域，通常位于细菌，叶绿体或线粒体的外膜，参与膜蛋白的运输和组装。而CDC48则是真核生物胞质中保守的AAA+（ATPases associated with diverse cellular activities）类型的分子伴侣，参与对细胞多种途径的调节【5】。与SP1相同，SP2和CDC48都特异性地调控TOC组分的蛋白含量。通过免疫印迹实验发现，在SP2和CDC48的突变体中，都检测到TOC蛋白含量的特异性上调。通过蛋白互作实验和遗传学实验，研究人员发现SP2与CDC48都参与了SP1途径对TOC蛋白的降解，并且它们三个因子可以形成复合体共同行使功能。

进一步通过生化实验和蛋白结构特性的分析，研究人员总结出SP2和CDC48分别作为跨膜通道和“分子马达”参与对被SP1泛素化外膜蛋白底物的逆向转运（由叶绿体向胞质的输送），以便使底物可以被胞质中的蛋白酶体降解。这种不同于以往的，用于叶绿体蛋白降解的多组分系统被称为Chloroplast-Associated Protein Degradation ，简称CHLORAD。


SP2和CDC48作用模式图

CHLORAD的发现对叶绿体调控机理的阐述有着重大意义，主要在于：1）CHLORAD中的蛋白转运过程不同于以往报道的由胞质向叶绿体的蛋白转运，是逆向进行的。实际上，这是首次报道的系统性地从叶绿体输出个体蛋白的生化途径；2）CHLORAD主要作用于转运叶绿体蛋白的TOC复合体，因此可以通过改变蛋白转运进一步广泛地调节叶绿体内部的蛋白组；3）SP2和CDC48在逆向转运中的协同合作具有非同寻常的意义，因为这表明CHLORAD具有原核/真核的混合起源，是叶绿体由内共生进化而来的又一有力例证。

为了应对全球气候变化带来的更频繁逆境胁迫（比如干旱和盐碱），全面而清晰地了解植物胁迫反应的不同调控机制具有重要意义。在该项研究中，研究人员还发现，通过操控CHLORAD途径可以改变植物对逆境的耐受性，表明CHLORAD参与调控植物逆境反应。因此，该研究结果可为提升作物抗逆性能提供新的理论基础。


参考文献
【1】P. Jarvis, E. López-Juez, Biogenesis and homeostasis of chloroplasts and other plastids. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 14, 787-802 (2013).
【2】Q. Ling, W. Huang, A. Baldwin, P. Jarvis, Chloroplast biogenesis is regulated by direct action of the ubiquitin-proteasome system. Science 338, 655-659 (2012).
【3】Q. Ling, P. Jarvis, Regulation of chloroplast protein import by the ubiquitin E3 ligase SP1 is important for stress tolerance in plants. Curr. Biol. 25, 2527-2534 (2015).
【4】X. Wu, T. A. Rapoport, Mechanistic insights into ER-associated protein degradation. Curr Opin Cell Biol 53, 22-28 (2018).
【5】H. Meyer, M. Bug, S. Bremer, Emerging functions of the VCP/p97 AAA-ATPase in the ubiquitin system. Nat. Cell Biol. 14, 117-123 (2012).

论文原文链接：
science.sciencemag.org/content/363/6429/eaav4467

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