Cell|楊貞標(biāo)/徐通達(dá)合作首次揭示細(xì)胞膜外生長素的共受體ABLs和TMK
植物激素生長素, 吲哚乙酸,是一類極為重要的內(nèi)源性信號分子,全方位參與調(diào)控植物的生長發(fā)育和環(huán)境應(yīng)答各過程, 是最早被發(fā)現(xiàn)也是最受關(guān)注的植物激素。一個(gè)世紀(jì)前在探索達(dá)爾文研究的植物向光性機(jī)理過程中, 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并鑒定了生長素。已知生長素胞內(nèi)受體TIR1/AFBs及其共受體AUX/IAA蛋白參與調(diào)控生長素誘導(dǎo)的基因表達(dá),但許多快速的生長素應(yīng)答發(fā)生在數(shù)秒內(nèi),不需要基因表達(dá),其機(jī)理還不明確。此外,生長素在運(yùn)輸過程需要轉(zhuǎn)運(yùn)體把生長素轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外,導(dǎo)致胞外生長素濃度的動態(tài)變化。但是,科學(xué)家對植物細(xì)胞是否及如何感知胞外生長素一直有爭議。
11月17日,深圳理工大學(xué)(籌)合成生物學(xué)院講席教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員楊貞標(biāo)團(tuán)隊(duì)與福建農(nóng)林大學(xué)徐通達(dá)團(tuán)隊(duì)合作在《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表了ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin的研究,這是繼楊貞標(biāo)團(tuán)隊(duì)2021年(Lin et al., 2021, Nature)和徐通達(dá)團(tuán)隊(duì)2019年(Cao et al., 2019, Nature)解析跨膜受體TMK介導(dǎo)的生長素信號途徑后的又一重大發(fā)現(xiàn)。該研究報(bào)道了兩個(gè)新的質(zhì)外體定位的、與ABP1功能類似的蛋白ABL1(ABP1-like protein 1)和ABL2,證明了ABL1和TMK1胞外區(qū)域共同及協(xié)同結(jié)合生長素,并通過生長素誘導(dǎo)的一些快速應(yīng)答調(diào)控植物生長和發(fā)育,從而解析了胞外生長素感受的分子機(jī)理。
深圳理工大學(xué)(籌)合成生物學(xué)院講席教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員楊貞標(biāo)和福建農(nóng)林大學(xué)教授徐通達(dá)為該論文的共同通訊作者,福建農(nóng)林大學(xué)博士生于永強(qiáng)、副教授唐文鑫、教授林文偉,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘山青年研究員李圍,深圳理工大學(xué)(籌)合成生物學(xué)院、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所副研究員周翔為論文共同第一作者。
研究團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)類受體激酶TMK家族作為生長素信號傳遞的關(guān)鍵組分,通過磷酸化調(diào)控一系列下游底物活性,如AHA,IAA32/34,MKK4/5-MPK3/4和TAA1等,介導(dǎo)生長素信號調(diào)控植物生長和發(fā)育,但是如何激活該通路以及TMK激酶是否或如何感知細(xì)胞膜外生長素信號還未被解析。ABP1是最早發(fā)現(xiàn)的、且廣泛存在的具有生長素結(jié)合特性的蛋白,ABP1是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白,但有10%左右可以分泌到質(zhì)外體與TMK胞外域形成受生長素誘導(dǎo)的復(fù)合體,所以這復(fù)合體被認(rèn)為是潛在的胞外生長素受體。然而,abp1突變體生長發(fā)育表型不明顯,所以ABP1是否是生長素的受體一直備受爭議。最近Jiri Friml和Dolf Weijers兩個(gè)課題組合作研究發(fā)現(xiàn)ABP1和TMK1均可介導(dǎo)生長素誘導(dǎo)的超快全局磷酸化反應(yīng)(Friml et al., 2022,Nature),為胞外生長素感受提供了新旁據(jù)。
為了進(jìn)一步研究胞外生長素感知分子機(jī)制,此項(xiàng)研究提出以下問題:(1)是否存在新的胞外生長素結(jié)合蛋白?
為探究是否存在新的胞外生長素結(jié)合蛋白協(xié)助TMK激酶感知細(xì)胞膜外生長素,該研究團(tuán)隊(duì)通過檢索TMK1互作蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)庫,鑒定到兩個(gè)蛋白ABL1 (ABP1-like protein 1)和ABL2,他們雖然與ABP1氨基酸序列相似性很低,但三維預(yù)測結(jié)構(gòu)類似,且具有保守的生長素結(jié)合區(qū)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明ABL1結(jié)合生長素的親和力與ABP1相當(dāng),其蛋白大部分定位于質(zhì)外體,并能被生長素快速誘導(dǎo)與TMK胞外域發(fā)生相互作用,從而說明它們是新的胞外生長素結(jié)合蛋白。
(2)ABLs和ABP1是否存在功能冗余?
通過突變體表型分析,研究者發(fā)現(xiàn)ABL1/2和ABP1存在功能冗余,但又與ABP1途徑不同,差異性調(diào)控植物生長發(fā)育。ABL1/2與ABP1都通過協(xié)同TMK家族介導(dǎo)生長素快速響應(yīng)(包括ROP的激活和全局磷酸化反應(yīng)),調(diào)控植物細(xì)胞形態(tài)建成,葉片發(fā)育,下胚軸快速伸長,根向重力性以及育性等生長發(fā)育過程。
(3)ABP1/ABLs和TMK是否是胞外生長素的共受體?
因?yàn)锳BP1/ABLs直接結(jié)合生長素且其與TMK1的互作受生長素誘導(dǎo)調(diào)控,研究者探索這兩類蛋白是否是胞外生長素的共受體。通過微量熱泳技術(shù)(MST)分析顯示,TMK1胞外域與ABP1和ABL1類似,都能特異性的結(jié)合IAA和NAA等活性形式的生長素分子,且當(dāng)TMK1胞外域存在時(shí),ABL1和ABP1對生長素的結(jié)合能力顯著增強(qiáng),證實(shí)了質(zhì)外體定位的ABP1/ABLs與類受體激酶TMKs胞外域是感受生長素的共受體。
此項(xiàng)研究成果為長期存在的科學(xué)問題, 即植物細(xì)胞如何感知細(xì)胞膜外生長素信號,提供了分子生物學(xué)解釋,揭示了細(xì)胞膜ABP1/ABLs-TMKs受體復(fù)合體傳遞生長素信號調(diào)控植物生長發(fā)育的分子機(jī)制,是植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn),為進(jìn)一步解析生長素復(fù)雜多樣的生物學(xué)功能提供了新的理念。
該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、上海植物逆境中心和福建農(nóng)林大學(xué)啟動經(jīng)費(fèi),中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和美國國立綜合醫(yī)學(xué)研究所經(jīng)費(fèi)的聯(lián)合資助。
ABP1/ABLs-TMKs受體復(fù)合體感知和傳遞細(xì)胞膜外生長素信號的工作模型
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