在植物中，泛素化参与许多的生物学过程，包括细胞循环、昼夜节律、激素信号、衰老、光形态建成和花期等生物学过程。泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应：首先在ATP供能的情况下泛素激活酶E1激活泛素，然后将其转移到泛素结合酶E2上通过硫酯键与E2的活性位点的Cys相连。E2可以直接将泛素转移到靶蛋白的Lys残基上，但一般靶蛋白的泛素化需要一个特异的泛素连接酶E3。根据E3与底物的相对比例可以将底物单泛素化修饰和多聚泛素化修饰。多聚泛素化修饰的靶蛋白一般被26S的蛋白酶体所降解此途径被称为泛素蛋白酶体途径【1】。
已鉴定的泛素连接酶E3主要有两大类：HECT结构域家族和RING结构域家族，HECT结构域主要是通过与泛素形成催化作用所必需的硫酯键发挥作用，而RING结构域为E2和底物提供居留位点从而使E2催化泛素转移到底物上。最近又发现了一类新的E3家族：U.box蛋白家族。该家族在拟南芥中有64个基因，在水稻中有77个基因，而且参与了许多生物和非生物胁迫、育性和激素信号路径，表明植物的U-box（Plant U-Box, PUB）蛋白家族调控植物生长和发育的许多进程。然而，在拟南芥中PUBs家族的功能许多是未知的【2】。
BR作为甾醇类激素调控植物生长和发育的许多方面，主要参与细胞伸长、光形态建成、维管的分化、气孔发育等过程。BR通过结合在细胞膜的受体BRI1和BAK1，形成复合体，经过一系列的蛋白磷酸化和去磷酸化过程从而激活BR的应答转录因子BZR1和BES1。同时，PP2A去磷酸化BZR1和BES1，促使BZR1和BES1在细胞核中积累，从而调控下游基因的表达，参与生物学过程【3】。
近日，韩国汉阳大学的Tae-Wuk Kim课题组在The Plant Cell 在线发表了题为Plant U-Box 40 Mediates Degradation of the Brassinosteroid-Responsive Transcription Factor BZR1 in Arabidopsis Roots 的研究论文，首次报道了PUB家族蛋白在根中参与BR信号转录因子BZR1稳定性调控的分子机理。
研究人员首先通过类似于动物中的含有ARM结构的PUB蛋白进行酵母双杂交筛选，发现PUB40能与BZR1互作，而通过体内实验发现PUB40能够降解磷酸化的BZR1。遗传学试验发现，PUB40调控BZR1的活性主要在拟南芥的根中，而非茎部。
研究人员通过杂交获得了pub39pub40pub41 三突材料，检测内源的BZR1的蛋白量明显增加。而bri1pub39pub40pub41的杂交根部表型明显回补了bri1的短根表型，表明pub39pub40pub41与BZR1的生物学功能是一致的，更多的是，在低磷条件下，发现pub39pub40pub41 是不敏感的相比于Col-0, 与bzr1-1D的表型是一致的，表明了PUB40所介导的BZR1降解有助于调控在逆境条件下根的发育。
图1 PUB40参与了BZR1的降解
通过对pub39pub40pub41根部的RNA-seq数据与BZR1的过表达材料进行比对发现，两者之间有许多的靶基因表达是相同的，而通过BR的Marker基因验证了这三个基因的突变与BZR1的影响是一致的。在分段试验中，发现PUB40对BZR1调控在其PEST区域，而突变后的bzr1-1D能够回补PUB40的过表达短根表型。
图2 BIN2通过S42稳定PUB40在根中的作用
更多的是，通过生化与遗传学试验发现，BIN2也能够联系和磷酸化PUB40, 从而促进它的稳定性，促进BZR1降解。而且质谱分析发现，BIN2对PUB40的磷酸化位点在S42，通过遗传回补试验发现S42的突变导致了PUB40功能的丧失，不能增强bri1 的短根表型，因此表明S42是至关重要的对于PUB42蛋白的功能。
图3 在根中PUB40介导的BZR1降解途径
综上可知，通过一系列的生化和遗传试验，该研究发现PUB40参与根中BR信号应答转录因子BZR1的降解，为研究BR信号的蛋白降解提供了新的思路。
参考文献
【1】Komander, D., and Rape, M.(2012). The ubiquitin code. Annu Rev Biochem 81, 203-229
【2】 Seo, D.H., Ryu, M.Y., Jammes, F., Hwang, J.H., Turek, M., Kang, B.G., Kwak, J.M., and Kim, W.T. (2012). Roles of four Arabidopsis U-box E3 ubiquitin ligases in negative regulation of abscisic acid-mediated drought stress responses. Plant Physiol. 750, 160, 556-568.
【3】Kim, T.W., and Wang, Z.Y. (2010). Brassinosteroid signal transduction from receptor kinases to transcription factors. Annu. Rev. Plant Biol. 61, 681-704.
http://www.plantcell.org/content/early/2019/02/27/tpc.18.00941
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