Science Advances | 陈颖等揭示泛素化动态平衡调节植物器官大小的机制

责编 | 王一

叶片作为植物光合作用的主要器官，其大小对调控光合作用效率和植物生长发育至关重，对作物的产量和品质有重要影响。植物器官大小如何调控是植物科学领域的重要问题。泛素化是一种重要的蛋白翻译后修饰，能影响蛋白质的稳定性、活性、亚细胞定位、以及与其他蛋白质的相互作用，在植物生长发育过程中发挥着关键作用。泛素化过程需要在泛素激活酶（E1），泛素耦合酶（E2）和泛素连接酶（E3）三个关键酶的依次作用下完成。整个泛素化过程中，E3连接酶的角色至关重要，它负责识别特定底物，并将泛素转移到底物上。E3连接酶还能通过自身泛素化来调节自身蛋白的稳定性和泛素连接酶活性。前期研究表明E3泛素连接酶DA2可以通过泛素化修饰激活肽酶DA1，通过限制细胞分裂调节植物叶片、种子等器官的生长。然而，E3泛素连接酶DA2如何通过调节自身泛素化水平参与植物器官生长调节的分子调控机理并不清楚。

近日，比利时根特大学-VIB植物系统生物研究中心研究团队在Science Advances发表了题为A dynamic ubiquitination balance of cell proliferation and endoreduplication regulators determines plant organ size的研究论文，揭示了植物细胞增殖和核内复制调节因子的泛素化动态平衡调控植物器官大小的机制。

DA2功能缺失的拟南芥突变体da2-1植株表现出叶片面积增大，叶片表皮细胞数目增多和细胞核内复制减弱的表型，DA2过表达的植株则表现出与之相反的表型，但da2-1和DA2过表达植株的叶片表皮细胞的大小却没有显著变化。基于DA2对拟南芥叶片生长的影响，作者对DA2调节叶片生长的分子调控机理进行了深入研究。

体外泛素化实验结果表明，E3泛素连接酶DA2的自身泛素化修饰以K48多聚泛素链为主。虽然K48多聚泛素链的修饰通常会导致蛋白被蛋白酶体降解，但通过比较DA2蛋白和DA2催化功能缺失的突变蛋白DA2C59S的稳定性发现，DA2的自身泛素化修饰并不影响其蛋白稳定性。通过比较不同自身泛素化水平的DA2对底物DA1的泛素化效率发现，DA2的自身泛素化水平影响了其E3连接酶的活性。进一步，通过亲和纯化质谱（Affinity purification- mass spectrometry, AP-MS）发现了两个去泛素化蛋白酶UBP12和UBP13可以与DA2相互作用，并且通过体内和体外去泛素化实验发现UBP12和UBP13能特异性地去除DA2的自身泛素化修饰。

由于E3泛素连接酶可能有多个泛素化底物，作者推测除DA1之外，DA2能通过泛素化修饰其他生长调节因子来调控叶片生长，那么抑制DA1的蛋白功能将不会影响35S::DA2对叶片生长的抑制作用。为了验证这一猜想，作者分别在Col-0和DA1蛋白功能降低的突变体da1-1两个遗传背景下构建了过表达DA2的植株，并比较了它们的叶片生长表型，发现在da1-1遗传背景下，过表达DA2不再抑制叶片的生长，这说明DA2对叶片细胞增殖和核内复制调节作用只能通过有功能的DA1蛋白实现。

此外，作者还构建了DA1-泛素融合蛋白，发现DA1-泛素融合蛋白具有持续性催化活性，不会被去除泛素化修饰，并能调节植物叶片生长，这一发现为理解泛素化修饰的功能提供了新思路。

图1，DA2通过自身泛素化水平调节DA1的酶活性。

综上所述，该研究发现了K48多聚泛素链修饰的非蛋白水解功能，并揭示了DA1和DA2蛋白泛素化动态平衡的调节机制，以及在调节植物器官大小中的作用，为研究植物器官大小的调控机制和未来改良作物品质和产量提供了新的思路和方法。

比利时根特大学Hannes Vanhaeren博士为该论文通讯作者，论文第一作者为德国莱布尼兹植物生物化学研究所博士后陈颖，此项工作是其在比利时根特大学Dirk Inzé教授团队开展博士后期间完成。陈颖博士的研究方向主要为植物器官大小的分⼦调控机理以及响应逆境的分子机制。目前以第一作者在Science Advances、Plant Physiology 和Journal of Experimental Botany等国际期刊发表多篇论文。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2570