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生命科学高校洪治斟酌团队在植物抵御非生物威

发布时间:2019-11-08 02:56编辑:环球彩票登录网址浏览(126)

    2月1日,南京大学生命科学学院洪治研究团队在国际知名学术期刊Molecular Plant上在线发表题为“Trimming of N-glycan by Golgi a1,2 Mannosidases MNS1 and MNS2 is Crucial for Maintaining RSW2 Protein Abundance Against Salt Stress in Arabidopsis”的研究论文,论文链接为 mns2会产生严重的根系生长抑制。有趣的是,缺少C支链的N-糖基生物合成缺陷突变体却表现出耐盐性并且可以部分回复mns1 mns2双重突变体的盐敏感表型;而野生型植株在甘露糖苷酶抑制剂Kifunensine处理下也显示出相似的盐敏感表型,因此推断N-糖基C分支上的a1,2-甘露糖残基的存在是mns1 mns2突变体盐敏感性的“罪魁祸首”,N-糖基C支链的a1,2-甘露糖基的剪切对拟南芥抵御高盐逆境至关重要。该研究还通过生化检测发现盐敏感突变体的根尖纤维素合成受损严重,并进一步研究验证了纤维素合成关键酶--b1,4-葡聚糖酶RSW2的蛋白丰度受C分支上的a1,2-甘露糖残基调控。据此推测,高尔基体中N-糖基的剪切和复杂化的生物学功能是产生一系列寡糖信号,用于细胞内的分子识别和细胞表面蛋白功能状态的调节,这种调节为帮助植物应对胁迫环境至关重要,而这些信号叠加最终形成了复杂型N-糖基。

    糖基化

    内容摘要:近日,中国农业大学与美国普渡大学研究发现ALG3介导的效应蛋白Slp1的N-糖基化,对于其在稻瘟病菌中的活性至关重要。

    植物在自然生活环境中面临着诸多如极端温度,干旱和高盐度等非生物胁迫影响。与生物胁迫不同, 非生物胁迫会引起植物体内多个基因或途径共同发挥作用。虽然多个参与植物对非生物胁迫的基因和信号网络已经被鉴定,但通过改变单一效应基因的表达来提高植物抵抗非生物胁迫能力的研究进展往往不尽人意(Cabello et al., 2014)。天冬酰胺链接的糖基化(Asn-linked glycosylation, N-糖基化)是真核生物中一种重要的蛋白共翻译和翻译后修饰方式。在内质网中,三分支的N-糖基结构在寡糖基转移酶的作用下被转移到新生肽链Asn-X-Ser/Thr motif中的天冬酰胺残基上。随着蛋白折叠由内质网分泌到高尔基体,N-糖基上的甘露糖会在甘露糖苷酶和其他糖原转移酶的作用下被剪切和修饰形成复杂糖基。研究发现绝大部分分泌蛋白或者膜蛋白都在分泌途径中进行N-糖基化。近年来,越来越多的实验证据表明N-糖基在高尔基体内的复杂化对于植物抵抗盐胁迫具有重要的功能(Kang et al., 2008;Strasser et al., 2016),而通过对功能基因的克隆发现在盐土植物中也存在着相似的糖基化过程(Jiang et al., 2015),但N-糖基化参与植物抵抗盐胁迫的分子和生化机制还了解甚少。

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    分泌性蛋白,包括细胞壁糖蛋白和效应蛋白,都是在内质网中合成,在那里它们经常发生N-糖基化和/或O-糖基化。N连接的蛋白质糖基化,是在酶的控制下,蛋白质或脂质附加上糖类的过程。在糖基转移酶作用下将糖转移至蛋白质,和蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键。蛋白质经过糖基化作用,形成糖蛋白。糖基化是对蛋白重要的修饰作用,有调节蛋白质功能的作用。

    该论文的通讯作者为洪治教授和李建明教授,第一作者为博士研究生刘传发和牛冠婷。相关工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金和国家重点基础研究发展计划资助。

    在高尔基体上还可以将一至多个氨基聚糖链通过木糖安装在核心蛋白的丝氨酸残基上,形成蛋白聚糖。这类蛋白有些被分泌到细胞外形成细胞外基质或粘液层,有些锚定在膜上。

    本文的通讯作者彭友良教授为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授,主要从事植物分子病理学的科研和教学工作,由于在科研、教学等方面成绩突出,先后获得了教育部霍英东青年教师基金、“优秀跨世纪人才计划”基金及优秀年轻教师基金,国家杰出青年科学基金,农业部级有突出贡献的中青年专家、人事部有突出贡献的中青年专家等称号,并入选“百千万人才工程”和教育部长江奖励计划特聘教授。该研究受到科技部973项目、长江学者计划、创新研究团队计划以及教育部111计划的资助。

    (生命科学学院 科学技术处)

    N-连接的糖链合成起始于内质网,完成于高尔基体。在内质网形成的糖蛋白具有相似的糖链,由Cis面进入高尔基体后,在各膜囊之间的转运过程中,发生了一系列有序的加工和修饰,原来糖链中的大部分甘露糖被切除,但又被多种糖基转移酶依次加上了不同类型的糖分子,形成了结构各异的寡糖链。糖蛋白的空间结构决定了它可以和那一种糖基转移酶结合,发生特定的糖基化修饰。

    芽殖酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiaehas)已被用作研究真核细胞N-聚糖合成的模型。利用缺陷突变体对N-聚糖生物合成的研究,已经描述了ASPARAGINE-LINKED GLYCOSYLATION基因的特性。例如,酵母alg突变体,在供体基底的生物合成或脂质相关的低聚糖装配方面存在缺陷,研究人员利用其来探究N-糖基化的功能。将参与N-糖基化最早步骤的一些ALG删除,可导致致命的或极其严重的表型和低糖基化蛋白质分泌,从而表明N-连接的糖基化具有重要的生物学意义。在白色念珠菌中,N-糖基化对于在细胞-细胞互动、粘附和宿主免疫应答反应中起关键作用的某些蛋白结构和功能非常重要。

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    根据糖苷链类型,蛋白质糖基化可以分为四类,即以丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸的羟基为连接点,形成-0-糖苷键型。以天冬酰胺的酰胺基、N一末端氨基酸的 α - 氨基以及赖氨酸或精氨酸的ω - 氨基为连接点,形成-N-糖苷键型;以天冬氨酸或谷氨酸的游离羧基为连接点,形成脂糖苷键型以及以半胱氨酸为连接点的糖肽键。

    这项研究指出,Slp1有三个N-糖基化位点,同时Alg3介导的每个位点的N-糖基化作用,是保持蛋白质稳定性和Slp1几丁质结合活性所必不可少的,这对于其效应蛋白的功能非常关键。这些结果表明,Alg3介导的Slp1蛋白N-糖基化作用,对于稻瘟病菌逃避宿主的先天免疫至关重要。

    该研究表明蛋白质的翻译后修饰-N-糖基化在调节糖蛋白丰度并维持植物细胞耐盐性中扮演重要角色,提示我们可能通过改变细胞内整体的蛋白质糖基化水平或者N-糖基结构改良植物的耐盐能力,为了解植物对高盐等非生物胁迫的响应机制提供了新的线索,也为采用新方法培育具有优良耐盐性的现代农作物及其分子设计提供了理论基础。

    过程

    在这项研究中,研究人员发现,ALG3介导的效应蛋白Slp1的N-糖基化,对于其在稻瘟病菌中的活性至关重要。ALG3编码一个α-1,3-甘露糖转移酶用于蛋白质N-糖基化。删除ALG3可抑制菌丝的继发感染,并显着降低毒性。研究人员观察到,Δalg3突变体可在宿主细胞内诱导活性氧的大规模生产,其方式与Δslp1突变体类似,这是抑制突变体感染菌丝的一个关键因素。Slp1会隔离几丁质寡糖,来避免被水稻几丁质诱导子结合蛋白CEBiP的识别和先天免疫反应的诱导,包括活性氧生产。

    MNS1/MNS2介导的N-糖基剪切作用调节盐胁迫下RSW2/rsw2-1的稳定性和/或运输机制示意图。C-分支a1,2-甘露糖残基的切除确保了RSW2/rsw2-1向反式高尔基体网络和质膜的成功运输。而MNS1和MNS2功能的缺失使RSW2/rsw2-1蛋白N-糖基的 C-末端携带a1,2-甘露糖残基,其可能被高尔基体中的某些糖结合蛋白识别并被递送至液泡或其他亚细胞结构或在未知的降解机制中进行降解。

    许多糖蛋白同时具有N-连接的糖链和O-连接的糖链。O-连接的糖基化在高尔基体中进行,通常第一个连接上去的糖单元是N-乙酰半乳糖,连接的部位为Ser、Thr和Hyp的羟基,然后逐次将糖基转移到上去形成寡糖链,糖的供体同样为核苷糖,如UDP-半乳糖。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记,改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。

    在高等真核生物中,N-连接的蛋白质糖基化已经被广泛研究。例如在哺乳动物中,N糖基化参与细胞粘附、分子运输和清除、受体激活、信号转导和内吞作用,对人体健康和疾病非常的重要。在较高等的植物中,研究人员已经广泛确认了参与蛋白质N糖基化的酶,并发现其在植物发育和生理的多个方面起重要作用。

    糖基化是在酶的控制下,蛋白质或脂质附加上糖类的过程,发生于内质网。在糖基转移酶作用下将糖转移至蛋白质,和蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键。蛋白质经过糖基化作用,形成糖蛋白。糖基化是对蛋白的重要的修饰作用,有调节蛋白质功能作用。

    水稻枯萎病,由丝状真菌稻瘟菌(Magnaporthe oryzaeand)引起,是全球最具破坏性的一种栽培稻病害。推荐阅读:稻瘟病抗性基因PI54激活水稻的复杂防卫作用。病原真菌通过分生孢子附着到植物表面而引发感染。然后,分生孢子萌芽,发芽管顶端发育成一个圆顶形结构,称为附着胞,在附着胞中产生了高膨压。分裂素激活的蛋白激酶和cAMP依赖性蛋白激酶A信号通路,对于附着胞的形态形成和渗透都是必不可少的。在渗透后,病原菌以活体营养的方式占据宿主细胞,稀薄的主要渗透菌丝会分化成球根状和分枝状感染菌丝。IH具有一个帽状结构,称为活体营养界面复合物,其参与胞质效应蛋白到植物细胞的释放过程。最近,有研究证明,一种分泌性LysM蛋白,在稻瘟病中发挥效应蛋白的功能,通过在质外体中结合几丁质寡糖抑制宿主免疫力,从而阻止几丁质诱导子结合蛋白的激活作用。

    分类

    然而,N-糖基化在丝状真菌的致病机理中所起的作用,基本上还是未知的。到目前为止,只有三项针对玉米黑粉菌和叶枯菌(Mycosphaerella graminicola)中糖基化相关突变体的报道,认为N-糖基化与植物病原真菌的发病机理有关。然而,这些研究并没有描述其背后的根本机制,因此,为何N-糖基化对于真菌发病机制如此重要,仍然还不清楚。

    真核细胞中的蛋白质N-糖基化,是在两种不同的细胞器内完成,分别为内质网和高尔基体,首先参与N-聚糖的生物合成。N-聚糖的生物合成,从一种Man5-GlcNAc2蛋白的聚集开始,这种蛋白与ER胞质一侧的多萜醇磷酸酯连接在一起。这种蛋白翻转到ER腔的一侧,不同的糖基转移酶会逐步地将4个Man和3个Glc残基添加到这个部位。然后,寡糖转移酶复合物将寡糖Glc3Man9GlcNAc2糖基全体转移到分泌性蛋白的特定Asn残基上。一旦糖蛋白发生折叠和寡聚体化,它们就被转移到高尔基复合物中,进行进一步的N连接聚糖修饰。

    2014年3月18日,中国农业大学植物病理学系彭友良教授课题组与美国普渡大学的研究人员,发表了一项研究表明,α-1,3-甘露糖转移酶介导的Slp1蛋白N-糖基化作用,对于稻瘟病菌逃避宿主的先天免疫至关重要。

    植物利用模式识别受体(pattern recognition receptors)来保护自己不受微生物的攻击,模式识别受体通过识别病原体相关的分子模式,来启动先天免疫反应。免疫反应包括受调节的活性氧合成,这可由细胞壁PAMPs的识别诱导,例如,入侵的病原体可在感染期间释放几丁质和葡聚糖产生的寡糖。在响应这些防御的过程中,植物病原体已经发展出一定的策略,来避免或克服PAMP触发的免疫功能。入侵真菌最重要的结构是细胞壁外层,通过这种外层,病原真菌可以避免内部几丁质和葡聚糖的寄主识别。病原菌也能通过效应蛋白对这些免疫反应的抑制,来反击PAMP触发的免疫机制,从而引起效应蛋白触发的敏感性。

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