Science Advances | 當(dāng)經(jīng)典代謝酶“走進(jìn)細(xì)胞核”:植物如何為黃酮代謝踩下“分子剎車”?
植物如何在復(fù)雜環(huán)境中精準(zhǔn)調(diào)控自身代謝,一直是植物生物學(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。尤其是苯丙烷代謝通路,它不僅決定植物的抗逆能力,也影響黃酮、木質(zhì)素和水楊酸等關(guān)鍵代謝物的合成。然而,一個(gè)長期未解決的問題是:當(dāng)黃酮等代謝物積累過多時(shí),植物如何快速“踩剎車”,避免代謝過載?
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成基因組學(xué)研究中心趙喬團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威期刊Science Advances發(fā)表研究成果。團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn),苯丙烷通路關(guān)鍵酶Phenylalanine ammonia-lyase(PAL)不僅在細(xì)胞質(zhì)中催化類黃酮合成的起始反應(yīng),還能通過磷酸化修飾進(jìn)入細(xì)胞核,以雙重機(jī)制精準(zhǔn)調(diào)控黃酮類化合物的合成總量。這項(xiàng)研究顛覆了“PAL僅為胞質(zhì)酶”的傳統(tǒng)認(rèn)知,提出植物通過調(diào)控酶的亞細(xì)胞定位,實(shí)現(xiàn)代謝與轉(zhuǎn)錄雙重反饋調(diào)控的新機(jī)制。
當(dāng)代謝酶進(jìn)入細(xì)胞核:PAL的“第二身份”
PAL傳統(tǒng)上被認(rèn)為定位于細(xì)胞質(zhì),而本研究首次證實(shí)PAL不僅存在于胞質(zhì)中,還可顯著存在于細(xì)胞核中。該核定位具有動(dòng)態(tài)可逆性:在UV-B輻射或高蔗糖處理誘導(dǎo)黃酮生物合成增強(qiáng)時(shí),PAL在細(xì)胞核中富集;刺激解除后,其重新分布至胞質(zhì)。該過程不依賴新蛋白合成,提示PAL通過快速、可逆的亞細(xì)胞定位重分配參與代謝調(diào)控。
磷酸化開關(guān):誰在推動(dòng)PAL入核?
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),黃酮通路中間體Naringenin(NAR)可以誘導(dǎo)PAL發(fā)生磷酸化修飾。通過質(zhì)譜分析,研究團(tuán)隊(duì)鑒定出關(guān)鍵磷酸化位點(diǎn)(S152、T153、S163)。當(dāng)這些位點(diǎn)模擬持續(xù)磷酸化時(shí),PAL持續(xù)定位于細(xì)胞核;當(dāng)這些位點(diǎn)失去磷酸化能力時(shí),PAL則無法響應(yīng)NAR進(jìn)入細(xì)胞核。這說明,磷酸化是PAL入核的分子開關(guān)。這也提示,植物體內(nèi)可能存在一個(gè)尚未被鑒定的“黃酮信號(hào)感受-激酶模塊”,負(fù)責(zé)感知代謝狀態(tài)并驅(qū)動(dòng)PAL轉(zhuǎn)位。
雙重剎車機(jī)制:空間隔離+轉(zhuǎn)錄抑制
PAL進(jìn)入細(xì)胞核后,會(huì)發(fā)生什么?研究團(tuán)隊(duì)揭示了一個(gè)精巧的“雙重負(fù)反饋”機(jī)制:
1.?空間隔離效應(yīng):PAL進(jìn)入細(xì)胞核后,胞質(zhì)中有效酶濃度下降,整體酶活顯著降低;
2.?轉(zhuǎn)錄干擾效應(yīng):核內(nèi)PAL與MBW轉(zhuǎn)錄復(fù)合體核心組分TT8發(fā)生互作,破壞TT8與MYB75之間的結(jié)合,抑制CHS、CHI、F3H、FLS、DFR等黃酮關(guān)鍵基因表達(dá)。
該機(jī)制形成了“代謝物誘導(dǎo)—PAL磷酸化—核轉(zhuǎn)位—雙重抑制”的負(fù)反饋環(huán)路,實(shí)現(xiàn)黃酮生物合成的精細(xì)調(diào)控。
總結(jié)與展望
該研究首次揭示了PAL蛋白作為“代謝酶+信號(hào)整合器”的雙重身份,這一發(fā)現(xiàn)不僅改寫了人們對(duì)PAL蛋白功能的傳統(tǒng)認(rèn)知,更提出了代謝酶核定位參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的新范式,為理解植物特殊代謝的精細(xì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了全新視角。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士生孫林慧、助理研究員楊自鳳及已出站博士后單曉彤(目前就職于東北師范大學(xué))為該論文共同第一作者。中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成基因組學(xué)研究中心趙喬研究員為該論文通訊作者,助理研究員王楠及博士生劉子樂也參與了數(shù)據(jù)分析與論文撰寫。研究過程中,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料合成生物學(xué)研究中心高翔研究員和美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校谷楊楠教授給予了重要支持與專業(yè)指導(dǎo)。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目支持。

文章上線截圖

圖1. PAL 蛋白的可逆定位

圖2. 磷酸化誘導(dǎo)PAL入核

圖3. PAL對(duì)類黃酮生物合成的動(dòng)態(tài)調(diào)控模型
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