磷酸化与乙酰化在植物昼夜节律中的作用机制

植物通过昼夜节律和光响应机制调节细胞和生理过程,以动态适应不断变化的日常环境。我们目前对昼夜节律和光控制的理解主要来自遗传和转录组研究,这些研究揭示了基因表达受时钟调节的程度。然而,最近的研究表明,转录水平和蛋白质丰度在昼夜循环期间的光暗转换相关性不强,表明转录变化不一定预测蛋白质水平的调节。此外,目前尚不清楚转录水平和蛋白质表达水平不一致的蛋白是否包括生物钟蛋白,是否包括受磷酸化或乙酰化单独调控蛋白,也不清楚是否包括磷酸化和乙酰化同时调控的光控蛋白。一般来说,翻译后修饰是造成转录本和蛋白表达水平不一致的主要原因。

蛋白翻译后修饰是细胞功能调节的核心。它们是代谢成本低,响应迅速。蛋白质磷酸化和乙酰化是真核生物中两种最丰富的蛋白质翻译后修饰。这两种修饰都被证明可以调节糖酵解,氮代谢,光合作用和发育等关键的细胞过程。迄今为止,蛋白质磷酸化和乙酰化各自在植物中分别进行了表征,它们在发生在同一蛋白质上时可能协同作用或拮抗作用以影响功能。

苏黎世联邦理工学院分子植物生物学研究所Wilhelm Gruissem教授使用拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究对象,定量了其花结、根、花、角果和幼苗中白天和和夜晚蛋白质磷酸化、乙酰化和蛋白质丰度的变化。研究发现磷酸化修饰组和乙酰化修饰组在白天与黑夜在细胞过程水平上有相互交叉,134种参与光合作用、翻译、代谢和细胞转运等核心植物细胞过程的蛋白质都同时被磷酸化和乙酰化。研究同时揭示了蛋白质磷酸化和乙酰化如何通过ATP(磷酸化)和通过乙酰辅酶A(乙酰化)代谢整合细胞能量状态,并建立了PTM motif,催化PTM的酶和特定底物之间的网络关系。

研究速读

1. 翻译后修饰的动态变化

研究者分别鉴定到9871个磷酸化位点和1365个乙酰化修饰位点。在白天,磷酸化修饰在花中有显著变化;在黑夜,花结中的磷酸化修饰变化最显著。而对于乙酰化修饰水平而言,变化最显著的是根(白天)和幼苗(黑夜)。为了确定修饰水平的变化是否是由蛋白质丰度的变化引起,研究者比较了修饰组学和总蛋白质组。结果表明,27-42%显着改变的磷酸化肽和75%左右显着改变的乙酰化肽对应的蛋白质含量并无显著改变。

Figure 1. 磷酸化和乙酰化修饰组学的GO分析

2. 磷酸化和乙酰化在植物核心细胞过程和通路中有交汇

为了研究磷酸化和乙酰化是否参与不同细胞的蛋白过程,研究者通用GO分析发现大部分磷酸化和乙酰化修饰似乎被不同的细胞过程隔离开。比如,乙酰化蛋白主要参与代谢过程、光合作用以及逆境响应,而磷酸化主要参与RNA加工、细胞分裂和细胞周期过程。然而,STRING-DB关联网络结果表明,对于同一个细胞过程中的不同蛋白而言,磷酸化修饰组学和乙酰化修饰组学的的确有交叉。这些过程包括幼苗蛋白翻译、代谢、光捕获、光合作用以及根蛋白翻译和代谢物转运等等。研究者的分析表明,参与细胞信号传导和代谢的几种蛋白质具有磷酸化和乙酰化昼夜变化的特点,但这两种修饰主要在相同细胞过程的不同蛋白质上有交叉。

Figure 2. 幼苗和根的乙酰化和磷酸化关联网络

3. 乙酰化和磷酸化在蛋白、通路和细胞过程层面的交叉点

为了研究植物细胞功能如何受到磷酸化和乙酰化的影响,研究者检测了被这两种修饰调控的蛋白质,并使用STRING-DB来确定这两种修饰时间和空间上的交叉。结果表明,134种蛋白参与了同时被磷酸化和乙酰化调控的关键细胞过程,其中20种蛋白与光合作用有关,表明这些蛋白质代表细胞信号和代谢的关键交叉节点。仅有一种赖氨酸脱乙酰酶(AtHDA14; At4g33470)和三种乙酰转移酶(AtGNATa; At3g54610,AtCBPc; At1g55970和NSI1; At1g32070)被鉴定为质体,说明这些酶的底物特异性必须通过形成特异但目前未知的蛋白质复合物来实现。
134种磷酸化和乙酰化蛋白中的17种是代谢蛋白,要么在相同的细胞过程中起作用,要么在主要代谢途径中起作用。这些包括已知受磷酸化调节的几种代谢酶,例如磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PPC2; At2g42600)和细胞溶质转化酶(CINV1; At1g35580),它们均被磷酸化激活。研究者还鉴定了几种在白天和黑夜之间差异修饰的磷酸化和乙酰化核糖体蛋白。40S和60S核糖体蛋白乙酰化的昼夜变化以及部分延伸因子表明两种修饰在蛋白质翻译上有动态交叉。包括水通道蛋白(PIPs)和H(+)-ATP酶(HAs) 七种转运蛋白被磷酸化和乙酰化。

Figure 3. 器官非依赖性磷酸化和乙酰化蛋白质网络

总而言之,研究者使用拟南芥,定量了花结、根、花、角果和幼苗中白天和和夜晚蛋白质磷酸化、乙酰化和蛋白质丰度的变化。进一步鉴定了用于表征不同拟南芥器官和幼苗的昼夜循环期间控制细胞过程的PTM motif,扩展了对蛋白质翻译后修饰调节植物细胞的理解,并为将来的分析提供了有用的资源,也强调了同时分析多个翻译后修饰的重要性,为多系统、特定时间点的功能搞研究提供了新的思路。

参考文献 Uhrig RG, et al., (2019), Diurnal changes in concerted plant protein phosphorylation and acetylation inArabidopsis organs and seedlings. the Plant Journal.

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