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Plant Journal | 湖北大学杨平仿团队泛素化修饰组学揭示水稻种子萌芽过程的动态调控机制

发布时间: 2019-11-13
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种子萌芽是一个复杂的生理过程,从摄取水分开始到胚轴延伸结束,在此过程中,种子的胚细胞会经历从静息代谢到活跃代谢状态的程序性转变。水稻(Oryza sativa)是植物研究中的经典模式生物,针对水稻种子萌芽已经在转录组,代谢组和蛋白组水平上进行了深入研究,但是该过程中的翻译后修饰研究目前还不是很多。

泛素化是一种普遍存在的翻译后修饰(PTM),它指的是由泛素激活酶(E1),泛素结合酶(E2)和泛素连接酶(E3)依次催化并最终将泛素(Ub)结合到其底物上来发挥功能。泛素化修饰可以通过调节蛋白的转运、活性和降解等功能来协调植物几乎所有的生长和发育过程。

2019年11月2日,湖北大学生命科学学院生物催化与酶工程重点实验室杨平仿教授在Plant Journal上发表题为Quantitative Ubiquitylomics Approach for Characterizing the Dynamic Change and Extensive Modulation of Ubiquitylation in Rice Seed Germination的论文,研究者对水稻种子萌芽过程中的泛素化修饰组以及蛋白组进行研究,找到关键调控通路并进行验证。本篇研究不仅揭示了水稻种子萌芽过程中泛素化以及蛋白组的调控,更扩展了我们对种子萌发过程中这一关键翻译后修饰的理解景杰生物作为共同署名单位之一,参与了其中的蛋白质组和泛素化修饰组学检测和分析工作。

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研究速读

Plant Journal | 湖北大学杨平仿团队泛素化修饰组学揭示水稻种子萌芽过程的动态调控机制

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蛋白泛素化修饰参与到水稻种子萌芽过程中

研究者首先通过去泛素化酶抑制剂PR-619处理萌芽过程的水稻去皮种子,实验结果显示PR-619显著提高泛素化修饰水平并抑制种子的萌芽;进一步对不同萌芽时间点的水稻种子进行泛素化修饰的western blotting检测,我们可以看到不同时间下泛素化呈现动态变化。以上实验结果表明泛素化确实参与到水稻种子萌芽过程中。

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图1. 泛素化修饰调控参与水稻种子萌芽过程

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水稻种子萌芽过程中泛素化修饰组的检测

在找到显著的表型之后,为了进一步揭示水稻种子萌芽过程中泛素化修饰的动态调控,研究者选取了不同时间梯度包括0h,12h,24h 这三个萌芽阶段(样品策略)进行 泛素化修饰组 研究。使用 高亲和力K-ε-GG抗体 富集并结合高分辨率 LC-MS / MS,研究者在1171个蛋白上鉴定到了2576个泛素化位点,其中777个蛋白上的1419个泛素化位点有显著差异,这些差异的泛素化蛋白主要参与蛋白加工,DNA和RNA加工/ 调控,信号传导和转运等过程中。

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图2. 水稻种子萌芽过程中泛素化修饰组的检测

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蛋白泛素化修饰调控的验证

通过组学实验找到调控水稻种子萌芽的关键通路或位点以后,接下来就是通过实验进行验证。研究者通过针对特异性蛋白ENO2和Pib5的western blotting以及针对Aldolase (K38), Cyclophilin (K44), an Oleosin (K23), sucrose synthase (K343), translation initiation factor 3 (K9), ribosomal protein(K258)这6个蛋白泛素化位点的Parallel Reaction Monitoring (PRM)靶向蛋白质组学进行验证,结果基本与之前实验一致,证明关键蛋白的泛素化修饰确实参与到水稻种子萌芽调控中。

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图3. 蛋白泛素化修饰调控的验证

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水稻种子萌芽过程中泛素化与其他修饰的共调控

磷酸化修饰被报道与泛素化有着广泛的共调控,乙酰化也是涉及多个生物学过程的普遍 PTM。 因此可能泛素化与磷酸化、乙酰化等翻译后修饰在水稻种子萌芽中存在协同作用。研究者通过进一步的分析发现,这些翻译后修饰在蛋白水平上确实存在精细调控,协同促进水稻种子萌芽。

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图4. 水稻种子萌芽过程中泛素化与其他修饰的共调控

在种子萌芽过程中,会有一系列的转录后调控以及翻译后修饰事件参与其中,对这些事件进行研究能够帮助我们更好的了解种子从静息到高度活化状态的转变。本篇研究利用泛素化修饰组学和蛋白质组学对水稻种子在不同时间梯度包括0h,12h,24h 这三个萌芽阶段进行研究, 在1171个蛋白上共鉴定到2576个泛素化位点 ,其中777个蛋白上的1419个泛素化位点有显著差异并且主要发生在12h 这个时间点。这些差异的泛素化蛋白主要参与蛋白加工, DNA和RNA加工/ 调控,信号传导和转运 等过程中。同时,作者还对泛素化与磷酸化、乙酰化等修饰的共调控进行了研究,揭示了翻译后修饰在蛋白水平上的精细调控。

本篇研究构成植物学领域经典的“表型发现-组学检测-后续验证”完整story ,不仅揭示了水稻种子萌芽过程中泛素化以及蛋白组的调控,更扩展了我们对种子萌发过程中这一关键翻译后修饰的理解,为后续相关研究提供了指导意义。

参考文献

Dongli He, et al., (2019) Quantitative Ubiquitylomics Approach for Characterizing the Dynamic Change and Extensive Modulation of Ubiquitylation in Rice Seed Germination. Plant Journal.

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