生物通報道：2014年7月10日，國際學(xué)術(shù)期刊《PLOS Genetics》（五年影響因子9.44）在線(xiàn)發(fā)表了蘭州大學(xué)的一項最新研究成果“Arabidopsis DELLA Protein Degradation Is Controlled by a Type-One Protein Phosphatase, TOPP4”， 該研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修飾的分子機理，解決了GA信號轉導中去磷酸化修飾這一經(jīng)典的生物學(xué)問(wèn)題，對植物激素信號轉導機理研究和實(shí)際生產(chǎn)中農作物改良等具有重要的科學(xué)價(jià)值。

 

本文通訊作者為蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細胞活動(dòng)與逆境適應教育部重點(diǎn)實(shí)驗室的博士生導師侯歲穩教授，其1994年畢業(yè)于西北師范大學(xué)生物系，1997年于中科院昆明植物研究所獲碩士學(xué)位，2004年在蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院獲博士學(xué)位，2002年至2003年，為英國劍橋大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，2005年至2008年在中科院近代物理研究所從事博士后研究。研究方向為植物激素作用分子機理、植物氣孔和表皮細胞發(fā)育與形態(tài)建成調控機理，先后在The Plant Journal、Planta、Journal of Experimental Botany、PLOS Genetics等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文多篇。第一作者是侯歲穩教授指導的博士研究生秦倩倩，合作者是黎家教授。

赤霉素（GAs）是一類(lèi)重要的植物激素，介導正常植物生命過(guò)程中幾乎所有的生理活動(dòng)，包括種子萌發(fā)、葉片的形成、細胞伸長(cháng)和開(kāi)花時(shí)間的控制等等。在最近的幾十年中，研究人員使用遺傳學(xué)和生化方法，已經(jīng)描述了GA信號轉導所必不可少的一些分子成分。一組這些成分是細胞核定位的DELLA蛋白。這些蛋白質(zhì)屬于一小組GRAS轉錄調節因子家族，在其N(xiāo)末端包含特定的DELLA序列，在C末端包含保守的GRAS結構域。它們是GA信號轉導通路的關(guān)鍵抑制因子。在擬南芥基因組中，有5個(gè)DELLA蛋白，分別被稱(chēng)為GA INSENSITIVE (GAI)、REPRESSOR OF ga1-3 (RGA)、REPRESSOR OF ga1-3-LIKE protein (RGL)1、RGL2和RGL3。

 

遺傳學(xué)分析表明，這些DELLA蛋白有重疊，有時(shí)在植物生長(cháng)和發(fā)育的調控過(guò)程中發(fā)揮不同的作用。例如，GAI和RGA對于莖的伸長(cháng)很重要；RGL2調控種子的萌發(fā)；而RGA、RGL1和RGL2參與花的發(fā)育。最近，已有研究闡明了一個(gè)主要的GA信號轉導級聯(lián)。在細胞核中，GA是通過(guò)其受體GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 (GID1)感知的。配體-受體復合物的形成可提高GID1和DELLA蛋白質(zhì)DELLA結構域的相互作用，導致它們的直接滅活或通過(guò)SCFSLY1/GID2 (Skp1-Cullin-F-box蛋白復合體) E3連接酶的泛素化。泛素化的DELLA蛋白隨后被26S蛋白酶體系統降解，觸發(fā)GA響應。

另一方面，當缺少GA時(shí)，DELLA蛋白穩定定位在細胞核中，在那里它們與其他轉錄因子相互作用，抑制GA應答基因的轉錄，抑制擬南芥中的生長(cháng)和發(fā)育過(guò)程。DELLAs通過(guò)與其他轉錄因子相互作用，也促進(jìn)GID1b的轉錄，通過(guò)上調GA生物合成基因GA 20-oxidases 2 (GA20ox2)和GA 3-oxidases 1 (GA3ox1)的表達，保持GA的內穩態(tài)。此外，DELLA蛋白是其他植物激素（包括生長(cháng)素、乙烯、脫落酸、油菜素內酯、茉莉酮酸酯）和環(huán)境因素（如陽(yáng)光、寒冷和鹽）的重要整合因子。

 

最近，有研究發(fā)現這些蛋白質(zhì)可調節皮層微管組織。除了泛素化和糖基化之外，有限的證據也表明，DELLA蛋白也由可逆的蛋白磷酸化和去磷酸化所調節。然而，我們對于詳細的分子機制卻知之甚少，參與這個(gè)過(guò)程的蛋白磷酸酶也尚無(wú)報道。

蛋白磷酸酶1（PP1s）是一大組絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白磷酸酶。雖然它們在植物中的功能仍不確定，但它們在真核生物中廣泛地表達，調節動(dòng)物的不同細胞過(guò)程。在擬南芥中，PP1s被稱(chēng)為1型蛋白磷酸酶（TOPPs）。以往的研究表明，它們調節胚胎發(fā)育和藍光依賴(lài)的氣孔開(kāi)放。總之，TOPPs調節植物生長(cháng)和發(fā)育的分子機制還沒(méi)有得到很好的研究。

 

ViaFect轉染試劑

在這項研究中，研究人員通過(guò)篩選化學(xué)誘變的擬南芥突變體庫，獲得一個(gè)突變體topp4-1，并針對該突變體深入研究了GA信號通路以及DELLA蛋白去磷酸化修飾。該課題組與黎家教授實(shí)驗室合作，通過(guò)基因圖位克隆、遺傳學(xué)分析、蛋白質(zhì)互作、去磷酸化分析等一系列的方法證明，一種新的蛋白磷酸酶TOPP4可以與DELLA蛋白相互作用并將其去磷酸化，引起GA介導的DELLA蛋白的降解，正調節GA信號轉導過(guò)程，促進(jìn)植物的生長(cháng)發(fā)育。該研究揭示了DELLA蛋白去磷酸化修飾的分子機理，解決了GA信號轉導中去磷酸化修飾這一經(jīng)典的生物學(xué)問(wèn)題，對植物激素信號轉導機理研究和實(shí)際生產(chǎn)中農作物改良等具有重要的科學(xué)價(jià)值。