2023年3月17日，廣州中醫(yī)藥大學(xué)藥用植物生理生態(tài)研究所王宏斌/靳紅磊團(tuán)隊(duì)在Cell Reports在線發(fā)表了題為“Dual Roles for CND1 in Maintenance of Nuclear and Chloroplast Genome Stability in Plants”的研究論文。
該研究發(fā)現(xiàn)了植物葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)的雙重調(diào)控蛋白CND1，揭示了葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)維持的協(xié)同調(diào)控新機(jī)制。
質(zhì)體（或稱葉綠體）是光合作用發(fā)生的重要場所，具有一套獨(dú)特的自身基因組，是植物特有的半自主性細(xì)胞器。質(zhì)體基因組大約包含100個(gè)基因，編碼了光合作用反應(yīng)中的必需蛋白，而大量的調(diào)控蛋白由細(xì)胞核基因編碼，協(xié)同維持質(zhì)體光合作用功能。因此，質(zhì)體和細(xì)胞核基因組之間的功能協(xié)調(diào)對于植物細(xì)胞正常的功能維持至關(guān)重要。其中，基因組穩(wěn)態(tài)維持是核質(zhì)協(xié)調(diào)的重要方面。然而，目前對于核質(zhì)基因組穩(wěn)態(tài)的協(xié)調(diào)機(jī)制卻知之甚少。
研究團(tuán)隊(duì)前期研究工作發(fā)現(xiàn)葉綠體基因組穩(wěn)態(tài)可以通過活性氧信號反饋調(diào)控細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)，建立了葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)維持之間的橋梁（Duan et al., Cell Reports 2020）。本研究通過系統(tǒng)鑒定模式植物擬南芥葉綠體和細(xì)胞核雙定位蛋白，發(fā)現(xiàn)葉綠體和細(xì)胞核雙定位蛋白CHLOROPLAST AND NUCLEUS DUAL-LOCALIZED PROTEIN 1(CND1)參與葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)的雙重調(diào)控。CND1的完全缺失導(dǎo)致胚胎致死；CND1敲低及干涉植株表現(xiàn)出明顯的葉片鋸齒表型，植物光能利用率降低，葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)定性降低以及染色體重塑，證實(shí)了CND1在葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)維持中的雙重調(diào)控作用。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CND1包含葉綠體信號肽（cTP）、核定位信號序列（NLS）、鋅脂基序（ZF）、以及未知功能結(jié)構(gòu)域DUF702。cTP和NLS分別負(fù)責(zé)CND1的葉綠體及細(xì)胞核定位。通過結(jié)構(gòu)域功能缺失回補(bǔ)發(fā)現(xiàn)，CND1的細(xì)胞核功能與葉片發(fā)育相關(guān)，而葉綠體功能與光合活性相關(guān)。值得注意的是，CND1調(diào)控細(xì)胞核和葉綠體基因組穩(wěn)態(tài)的機(jī)制并不相同：在細(xì)胞核中，CND1通過ZF與細(xì)胞核DNA預(yù)復(fù)制復(fù)合體核心蛋白MCM4直接互作，促進(jìn)MCM4與細(xì)胞核DNA的結(jié)合，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞核基因組的穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞周期進(jìn)程。在葉綠體中，CND1與葉綠體基因組穩(wěn)定性調(diào)控因子WHY1相互作用并促進(jìn)其與葉綠體DNA的結(jié)合，進(jìn)而調(diào)節(jié)葉綠體基因組穩(wěn)態(tài)及光合功能。
更有趣的是，CND1的亞細(xì)胞定位在不同的組織中表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的分布特點(diǎn)：在光合組織中，CND1主要分布于葉綠體中；在種子胚胎組織中，CND1主要分布于細(xì)胞核中；在分裂旺盛的分生組織中，CND1同時(shí)定位于葉綠體及細(xì)胞核中。光信號促進(jìn)CND1與葉綠體輸入蛋白HSP90的結(jié)合并將其導(dǎo)入葉綠體。本研究首次發(fā)現(xiàn)了葉綠體——細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)的雙重調(diào)控蛋白CND1，揭示了葉綠體和細(xì)胞核基因組穩(wěn)態(tài)的跨區(qū)域協(xié)同調(diào)控新機(jī)制，為理解半自助性細(xì)胞器和細(xì)胞核基因組功能協(xié)同提供了新視角。
廣州中醫(yī)藥大學(xué)藥用植物生理生態(tài)研究所王宏斌教授和靳紅磊教授為本論文的共同通訊作者，靳紅磊教授和段素娟博士為共同第一作者。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金和廣東省特支計(jì)劃的資助。
當(dāng)前位置: