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王雷研究组揭示O-糖基化修饰调控生物钟周期的分子机制

SPY调控植物生物钟周期的机制

(A). 双光子激光扫描显微镜观察SPY细胞核与细胞质的特异定位。(B). 蛋白质印迹检测CHX处理后PRR5蛋白水平发现在SPY突变体中PRR5蛋白的降解速度变慢。(C). 持续红光条件下PRR5的突变能部分恢复SPY突变体的生物钟表型。(D). 简化的SPY调控生物钟周期的分子模型。

生物钟是植物细胞中感知并预测光照和温度等环境因子昼夜周期性变化的精细时间机制,它通过协调代谢与能量状态以适应环境因子的昼夜动态变化,从而为植物的生长发育提供适应性优势。生物钟周期紊乱会严重影响植物多种生理和发育关键过程,如开花时间和胁迫应答等。生物钟核心因子的翻译后修饰如磷酸化和泛素化等,可以精确调控生物钟周期。O-糖基化修饰是一类新发现的蛋白质翻译后修饰类型,否参与植物生物钟精细调控及其相关机制还不清楚。

中国科学院植物研究所王雷研究组通过植物活体发光实验结合生物钟表型的计算分析发现,与动物中作为O-β-N-乙酰葡糖胺修饰转移酶(O-GlcNAc)的SEC参与调控生物钟周期不同,在植物中则主要是作为O-岩藻糖基化(O-Fucrose)修饰转移酶的SPY特异调控生物钟周期。通过构建细胞核、质特异定位的SPY蛋白表达载体,结合植物活体发光实验证据,发现SPY蛋白主要是在细胞核中参与调控生物钟周期。进一步通过免疫共沉淀结合质谱分析、酵母双杂交以及双分子荧光互补等筛选SPY蛋白的互作蛋白组,发现SPY蛋白的TPR结构域可以与生物钟核心组分PRR5蛋白的C-端在细胞核内互作,并将其O-岩藻糖基化。细胞学观察和生化分析结果表明O-岩藻糖基化修饰不改变PRR5亚细胞定位,但会促进PRR5蛋白的降解,这也是首次发现O-岩藻糖基化可以调控蛋白稳定性。遗传学证据表明PRR5在遗传上位于SPY的下游发挥作用。该研究不仅为翻译后修饰精细调控生物钟周期提供了新见解,而且揭示了尽管O-糖基化调节生物钟周期在演化上具有保守性,但在哺乳动物中主要是通过O-GlcNAc糖基化修饰,而在高等植物则是通过O-岩藻糖基化修饰。

该研究成果于20191231日在线发表于国际学术期刊Molecular Plant王雷研究组已毕业博士研究生王岩为本论文的第一作者,在读博士生何雨晴和苏晨也对本研究做出了重要贡献,美国杜克大学孙太平教授为合作研究者,王雷研究员为通讯作者。该研究得到了中科院战略性先导科技专项中科院前沿科学重点研究等项目的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.12.013

 

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