蛋白质琥珀酰化修饰参与植物响应重金属胁迫

　　

　　植物是环境中重金属的主要接触者和传输者，解析植物对重金属的耐受和转运机制对于通过分子育种应对环境重金属污染具有重要意义：一方面，可以培育重金属低富集作物品种以保证食物安全；另一方面，可以培育重金属超富集植物资源通过植物提取去除环境中的重金属。转录组学、代谢组学和蛋白质组学等技术是研究植物响应重金属胁迫机制的常用手段，但这些技术只能从基因、代谢物和蛋白质的丰度变化上理解其对植物响应重金属的调控作用。蛋白质翻译后修饰（PTM）是一种有效调控蛋白质结构、功能、定位、活性和互作的生物学机制。目前，已在生物体中发现超过200种PTM类型，但许多PTM在植物体中的功能和作用机制都不清楚。 

　　中国科学院昆明植物研究所的研究人员在通过转录组学和蛋白质组学联合分析蔓菁对重金属镉（Cd）胁迫的响应机制中发现乙酰基转移酶/去乙酰化酶的表达显著受到Cd胁迫的影响（Li et al., 2021, Environmental Science and Pollution Research, https://doi.org/10.1007/s11356-020-11454-z），表明相关蛋白质翻译后修饰可能参与调控植物对Cd的响应。由于发生在蛋白质赖氨酸（K）上的酰基化修饰（如乙酰化、琥珀酰化、巴豆酰化等）通常存在crosstalk（有共同的调控基因），研究人员通过Western blot检测了蔓菁幼苗在Cd胁迫下的乙酰化、琥珀酰化和巴豆酰化修饰水平，发现3种酰基化修饰都对Cd胁迫有响应，其中琥珀酰化修饰（在琥珀酰辅酶A的介导下将一个负电荷四碳琥珀酰基转移到赖氨酸残基的伯胺上的过程）水平变化更为明显。为了探究琥珀酰化修饰在蔓菁响应Cd胁迫中的功能，研究人员利用对照组和Cd处理组蔓菁材料进行了定量琥珀酰化修饰组学分析。 

　　研究结果总共鉴定到256个蔓菁蛋白质上的547个琥珀酰化修饰位点，这些琥珀酰化修饰的蛋白质定位在不同细胞组分并参与植物的各种生物学过程。在Cd（20 μM）处理8小时后，检测到8个蛋白质上的9个琥珀酰化位点的修饰强度发生显著变化（P < 0.05），这些差异的琥珀酰化修饰位点在十字花科植物中十分保守并且绝大多数位点都处在蛋白质的核心结构域上（图1），暗示这些琥珀酰化修饰位点对蛋白质的功能可能具有重要影响。 

　　研究还发现3个差异琥珀酰化修饰位点发生在调控过氧化氢（H₂O₂）代谢和谷胱甘肽（GSH）代谢（植物对重金属解毒的2个重要过程）的3个关键酶上（图2）：乙醇酸氧化酶（glycolate oxidase：K150位点下调）和过氧化氢酶（catalase 3：K396位点上调）分别调控H₂O₂的生成和降解，谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase：K197位点下调）催化GSH和Cd离子结合。由于3种酶的活性在Cd胁迫下也发生显著变化（图2），推测3个差异琥珀酰化修饰位点可能通过调控相应蛋白质的活性增强蔓菁对Cd胁迫的耐受性。 

　　该研究首次报道蛋白质琥珀酰化修饰参与植物响应重金属胁迫，为解析植物耐受和转运重金属的机制提供了新的视角和参考，研究结果以Quantitative Succinyl-Proteome Profiling of Turnip (Brassica rapa var. rapa) in Response to Cadmium Stress为题发表在MDPI旗下SCI期刊Cells上。李雄博士为论文的第一作者，杨永平研究员和许建初研究员为论文的共同通讯作者，研究得到了中国科学院青年创新促进会（2020387）和国家自然科学基金（31800226）的支持。 

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图1 差异琥珀酰化修饰位点在十字花科植物中的保守性和在蛋白质序列上的位置信息。 

 

图2 差异琥珀酰化修饰蛋白质参与的生化反应过程和H₂O₂和GSH代谢中的关键酶活性或产物含量。