Nature突破 | 磷酸化修饰组学揭示生长素“酸性假说”重要机制

2021-11-10 00:24:25, 景杰学术杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

生长素（auxin）是第一个被发现的植物激素，也是植物中最重要的激素之一，几乎参与了植物所有的生长发育与逆境相应相关的调控过程。生长素的重要功能之一是促进细胞的伸长。早在1971年，著名科学家 Achim Hager 和Robert Cleland 首次提出了细胞的“酸性生长假说”，即生长素刺激细胞膜上的质子泵活化，使细胞壁酸化，酸化的细胞壁促使胞壁扩张酶活化胞壁扩张酶将胞壁的氢键断裂，促进细胞伸长。然而，生长素如何介导质子泵酸化细胞壁的分子机制一直悬而未决。

2021年10月27日，福建农林大学-加州大学河边分校联合中心（FAFU-UCR 联合中心）杨贞标团队在国际顶级期刊Nature上发表题为TMK-based cell-surface auxin signaling activates cell wall acidification的研究文章。该工作揭示了植物通过细胞膜表面类受体激酶家族蛋白（TMK）感受生长素，通过特异位点磷酸化激活细胞膜表面的质子泵（H⁺-ATPase)，导致细胞壁酸化，促进细胞的伸长及组织生长。

前期的研究报道，TMK受体类激酶参与生长素介导的多个重要生命活动，如表皮细胞形态建成，次生根发育，根的热响应等。为探究其潜在的其他生物学功能，作者首先利用免疫沉淀结合蛋白质谱技术（IP-MS）检测与TMK互作蛋白，其中的H⁺-ATPase(AHAs) 引起了作者的重点关注。

图、IP-MS鉴定到TMK互作蛋白--AHAs蛋白家族成员

接着，作者利用免疫沉淀（Co-IP）验证了TMK和AHA1之间存在体内互作。为了说明两者之间的互作依赖于生长素，作者利用Co-IP、实时荧光能量共振转移实验（FRET）等技术手段对两者的互作关系进行进一步解析，结果表明生长素可以促进两者快速结合，这种快速的蛋白结合方式暗示着生长素通过TMK快速地传递信号。

图、TMK1能够与AHAs互作，这种互作能被生长素快速诱导

AHA蛋白具有自抑制性，磷酸化AHA倒数第二位的苏氨酸残基可以解除其自抑制性。TMK作为一个激酶受体，是否能够磷酸化并活化AHA呢？通过对比野生型和tmk1/4突变体的磷酸化修饰组学结果，作者发现tmk1/4突变体中，AHA2、AHA3和AHA7倒数第二位的苏氨酸信号显著降低，位点特异性磷酸化抗体进一步证实了质谱的结果。为了证明TMK1能直接磷酸化AHA，作者进行了体外磷酸化实验，结果发现TAK1的激活功能区能够增加AHA2的磷酸化，但当TAK1的激酶功能区失活后，AHA1的磷酸化信号显著减弱。在tmk1/4突变体中，质子泵AHA的ATP水解酶活性也显著低于野生型。

图生长素诱导的质子泵AHA1磷酸化和激活依赖于TMK1/4

然后，作者测定了生长素对野生型和tmk1/4突变体细胞壁的PH值的影响，并对细胞长度进行量化。结果显示，处理生长素类似物NAA后，野生型的细胞壁明显酸化，但突变体中未显示差异，且酸性显著弱于野生型。暗示着生长素诱导的细胞壁酸化和细胞伸长依赖于TMK1/4，后者在生长素诱导的H⁺-ATPase 激活中有重要作用。

图暗示着生长素诱导的细胞壁酸化和细胞伸长依赖于TMK1/4

总的来说，该研究充分解析了“酸性生长假说”的具体机制，是植物生长素领域十分重要的突破。研究通过免疫沉淀结合蛋白质谱（IP-MS）的方法发现类受体激酶(TMK1)和定位于细胞膜上的质子泵家族（H⁺-ATPase, AHAs）的多个成员互作，生长素通过TMK特异性磷酸化质子泵AHA的C端保守的苏氨酸位点，激活其质子泵活性，导致大量的质子被泵出细胞外，从而引起细胞壁酸性化和细胞的伸长。

该研究由福建农林大学-加州大学河边分校联合中心为第一完成单位，联合中心林文伟博士为第一作者。福建农林大学徐通达教授、朱晓玥教授等均参与了该研究工作。日本名古屋大学和明尼苏达大学等多个课题组参与合作。景杰生物为该研究提供质谱定量与磷酸化修饰组学分析。