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春华秋实---景杰生物与高水平植物蛋白质组学研究

发布时间: 2017-10-31
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景杰编者按:过去的几年,随着我国科研人员的不懈努力,再加上国家对植物科学的稳步支持。中国植物科学实现了跨越式的发展,高水平的研究论文层出不穷,在国际著名植物类学术期刊发表文章的数量跃居次席。长期以来,植物学的研究,尤其是在系统生物学方面的研究长期依赖转录组测序。从技术的角度看,一方面是因为转录组分析较蛋白质组分析简单,国内少有高水平的植物蛋白质组学研究;另一方面,植物功能基因组的研究大大滞后于动物学,加上普遍缺少商业化的抗体用于后期功能验证,所以往往只能在转录水平、或低层次的蛋白质组学水平开展植物系统生物学研究。然而随着研究的深入,越来越多的研究表明植物系统中转录水平和蛋白水平之间的相关性很低,并且植物中大量存在远未被充分认识到的各种蛋白质修饰现象。景杰生物自2013年推出高通量蛋白质组学和蛋白质修饰组学技术服务以来,不仅推动我国生物医学领域作出令人瞩目的世界级成果,在植物学研究方面也做出了重要的原创贡献!作为蛋白质组及蛋白质修饰组领域的领跑者,景杰生物可以为您提供高通量蛋白质组学及修饰组学的“一体化”解决方案,并能为您提供并开发高特异性、高灵敏度蛋白质修饰类抗体,助力您的研究工作。

关键词:蛋白质组学、蛋白质修饰组学、泛素化、磷酸化、乙酰化、巴豆酰化、琥珀酰化

春华秋实---景杰生物与高水平植物蛋白质组学研究

表1. 2016年植物生理学三大传统期刊中,Top5的国家发文量统计

在这里编者总结了近两年来,景杰生物和国内植物科研人员在植物蛋白质组与蛋白质修饰组学领域合作的一些高水平代表性成果,以飨读者。

褪黑素对百慕大草在氧胁迫的保护机制研究(J. Pineal Res., 2015)

褪黑素(melatonin),也就是我们熟知的保健品“脑白金”中的有效成分,主要是哺乳动物,如人类的松果体产生的一种胺类激素,其含量水平随每天的时间变化,存在昼夜节律,而今年诺贝尔生理医学奖得主的工作就是阐述生物节律。从化学结构来看,褪黑素属于吲哚乙胺类,和植物中的生长素(吲哚乙酸)结构非常类似,都是由色氨酸氧化而来。植物中也会合成褪黑素,但是显然植物不存在失眠的问题,那么植物为什么要合成褪黑素?其实褪黑素在动物中另一为人所忽视的功能是其抗氧化活性,植物中褪黑素也有类似的功能,那么如何实现这一目的?中科院武汉植物园产祝龙研究员和景杰生物合作,利用定量蛋白质组学分析褪黑素对百慕大草在氧胁迫的保护机制,相关成果发表在著名学术期刊Journal of Pineal Research(IF=10.39)。结果发现有76个蛋白的表达受到褪黑素的影响,这些途径涉及蛋白质合成、钙信号通路(图 1)。其中12个核糖体大亚基和8个小亚基的水平受到褪黑素的抑制,暗示褪黑素增强植物对氧胁迫可能通过抑制蛋白质合成实现;此外钙信号途径也受到褪黑素影响,比如众多钙信号激酶的表达受褪黑素的调控。本研究从蛋白质组学水平,解释了外源的褪黑素如何提升百慕大草对抗氧胁迫的抵抗。


图1. 左图,外源褪黑素能增进百慕大草对氧胁迫的适应。右图,蛋白质组学结果表明,褪黑素处理导致蛋白表达的差异,主要影响蛋白质的合成。

水稻株型优化的蛋白质组学研究(Plant J., 2017)

在水稻育种实践中,适度的卷叶表型是理想株型的一个重要指标:保持叶片直立而不披垂,改善群体基部的受光条件,对水稻超高产育种具有重要利用价值。西北农林科技大学陈坤明教授和浙江大学石春海教授在Plant Journal揭示了水稻叶卷曲调控的新机制,为水稻叶形态调控研究和株型改良提供了新线索。他们之前鉴定水稻SRL1基因通过调控泡状细胞形成进而调控水稻卷叶,然而其调控机制仍未阐明。 cld1突变是CLD1/SRL1基因的一个表观遗传位点(图 2),其功能缺失是由于DNA甲基化导致。在cld1突变体叶片中次生细胞壁组分纤维素和木质素含量均明显降低,表明CLD1/SRL1功能缺失影响细胞壁形成。更重要的是CLD1/SRL1缺失导致叶表皮严重缺陷如表皮泡状化等,致使突变体植株保水能力下降,耐旱性降低(图 2)。通过和景杰生物合作,利用定量蛋白质组分析突变体中蛋白含量低变化,发现突变体中与细胞壁形成、表皮发育及水分胁迫相关的蛋白异常表达(表 2)。这些结果表明CLD1/SRL1基因调控水稻叶卷曲的机制涉及维持细胞壁形成、叶表皮完整性和水分动态平衡等方面,为后续研究提供了新线索,对水稻株系改良具有重要科学指导意义。


图2. cld1突变体具有叶片弯曲的表型,同时还表现保水能力降低等表型。


表2. 利用定量蛋白质组学分析cld1突变体中和细胞壁合成相关蛋白的表达。


植物花瓣衰老的的蛋白质修饰组学研究(Plant Physiology, 2017)

乙烯是重要的植物激素之一,广泛参与了如果实的成熟、花瓣打开、叶片脱落等生物过程。目前公认的关于植物衰老的机理主要有自由基理论和细胞的程序死亡理论。蛋白质的泛素化修饰是一种常见的蛋白质翻译后修饰类型。研究人员曾猜测泛素化修饰可能参与植物衰老的调控。但是受制于有效的泛素化底物富集方法和质谱技术分析手段,一直未能开展大规模的植物衰老蛋白泛素化组研究。华南农业大学余义勋教授和景杰生物合作,在著名的植物生理学期刊Plant Physiology上报告了蛋白质泛素化修饰在乙烯诱导的花瓣衰老过程中的作用。结果发现蛋白质泛素化修饰水平总体上呈上升趋势而蛋白质水平总体上呈下降趋势,并且蛋白质泛素化修饰和其蛋白质水平上总体呈负相关,这说明泛素化修饰与花衰老过程中的蛋白质降解密切相关,并且可能在衰老过程中起重要作用 (图 3)。另外,本文还对大量衰老相关蛋白在衰老过程中泛素化修饰水平和蛋白质水平上的变化进行了深入分析,同时获得了大量新的蛋白质泛素化修饰位点,从蛋白质泛素化修饰这一角度对花瓣衰老进行了诠释。


图3. 乙烯处理加快矮牵牛花瓣等衰老。乙烯处理影响矮牵牛乙烯合成和信号转导途径。

细菌中植物泛素化级联系统的重建(Plant J., 2017)

真核生物蛋白质赖氨酸侧链会发生泛素化修饰,其中多聚泛素化一大功能是参与蛋白质降解。整个过程涉及五种蛋白:泛素分子、E1 activating enzyme、E2 cojugating enzyme、E3 ligase和靶蛋白。人类基因组拥有一种E1,35种E2s和600多种E3s,而在模式植物拟南芥基因组中,存在2种E1s,37种E2s和1400多种E3s。泛素信号和许多植物激素信号途径相关,因此在植物研究中一直是研究的热点,比如怎样去鉴定E2和E3的功能。目前研究植物蛋白泛素化,一般是通过体外生化实验去验证,但是这个过程比较麻烦,首选需要表达、纯化泛素体系的五个蛋白组分(泛素蛋白,E1-E3,目的蛋白),然和混合在一起去检测目的蛋白是否发生泛素化。为了克服上述问题,中科院遗传发育所吕东平研究组在大肠杆菌中重建植物泛素化途径(图 4)。


图4. 植物泛素化在细菌中的重建,以ABI3及其对应的E3 泛素连接酶AIP2为例。a. 植物泛素化级联系统的表达载体构建;b.泛素化状态检测。

该系统具有以下优点:1)植物泛素化组分在细菌中表达后,直接参与了泛素化反应,因此免去了预先表达纯化上述蛋白质,然和在体外生化反应的步骤,这对于那些水溶性差的蛋白尤为重要;2)在该系统中,所有植物蛋白均在活细胞内进行泛素化反应;3)利用该系统可以产生大量的泛素修饰蛋白,这有利于下一步的泛素化位点鉴定和生化研究。通过和景杰生物合作,利用高特异性的抗体对泛素化修饰肽段进行富集,结合生物质谱分析,确定该体外泛素化中,泛素分子的确是以K48位连接(图 5),证实上述方法的可靠性,也表明该系统提供了一种研究植物蛋白质泛素化的新方法。


图5. 利用质谱技术确定细菌体系中泛素分子连接方式(K48) 。


乙酰化修饰对光合作用的调控机制研究(Mol Cell Proteomics, 2017)

作为地球上最重要的反应,光合作用一直是植物研究人员的重点。自非组蛋白的赖氨酸乙酰化修饰报道以来,人们发现光合作用中,无论是光反应还是碳代谢中的很多蛋白都发生乙酰化修饰。中科院水生所葛峰研究员、赵进东院士等人和景杰生物合作,利用景杰生物高通量蛋白质赖氨酸乙酰化蛋白质组平台,在蓝藻Cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7002 中鉴定到1653个乙酰化位点(802个蛋白) (图6) 。之后的功能验证表明,光系统II中锰稳定蛋白(PsbO)的乙酰化修饰抑制了放氧中心复合体中氧气释放。上述研究发表在顶尖的生物质谱期刊Molecular & Cellular Proteomics上,该研究大大加深我们关于PTM修饰在光合作用中调控作用的理解。

春华秋实---景杰生物与高水平植物蛋白质组学研究


图6. 利用蛋白质组学对蓝藻PCC 7002赖氨酸乙酰化修饰位点的鉴定。


总结:

我们只有一个地球,未来的世界人口数量在增长,而可耕种面积却在不断减少,化肥过度使用,病虫害更加频繁、极端天气严重威胁粮食产量。粮食问题历来是我国政府非常看重的的主题,如何高产、绿色环保地生产我们需要的作物一直是植物工作者所关注的问题。“绿水青山就是金山银山”这一论述不仅是对我国环境保护政策论述的总结,也是对绿色农业的期望。景杰生物愿意和广大的植物研究人员一起,利用公司先进的蛋白质组学、蛋白质修饰组学平台,为实现这一目标而“捋起袖子加油干”。


参考文献:

1, 王小菁,等. (2017) 2016年中国植物科学若干领域重要研究进展,植物学报 52,394-452

2, Haitao Shi, et al. (2015) Comparative physiological and proteomic analyses reveal the actions of melatonin in the reduction of oxidative stress in Bermuda grass (Cynodon dactylon (L). Pers.). Journal of Pineal Research 59,120–131

3, Wen-Qiang Li, et al. (2017) CLD1/SRL1 modulates leaf rolling by affecting cell wall formation, epidermis integrity and water homeostasis in rice. Plant Journal.

4, Jianhang Guo, et al. (2017) Proteomes and ubiquitylomes analysis reveals the involvement of ubiquitination in protein degradation in petunias, Plant Physiology 173, 668–687,

5, Yufang Han, et al. (2017) Reconstitution of the plant ubiquitination cascade in bacteria using a synthetic biology approach. Plant Journal.

6, Zhuo Chen, et al. (2017) Lysine acetylome analysis reveals photosystem II manganese-stabilizing protein acetylation is involved in negative regulation of oxygen evolution in model cyanobacterium synechococcus sp. PCC 7002, Molecular & Cellular Proteomics.


以超高分辨的生物质谱仪为依托,景杰生物通过整合以蛋白质组学为导向(包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学)的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节,逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条,从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。


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