PNAS∣中科院张劲松研究组和陈受宜研究组揭示乙烯信号转导新调控因子MHZ3的作用机制

植物科学SCI 2018-12-05 13:33:59

乙烯在植物生长发育过程中以及环境应答反应中起着重要的调控作用。EIN2是乙烯信号转导的中心组分,其N端是由12个跨膜区组成的类似于哺乳动物Nramp离子通道的Nramp-like结构域,C端为位于细胞质的亲水结构域。尽管EIN2 C端的生化功能得到了广泛深入研究,即乙烯处理导致C端蛋白从内质网上剪切下来进入细胞核和胞质加工小体(P-body)以激活下游信号组分,然而其 N端跨膜区结构域在乙烯信号转导中的重要性和调控机制却一直不清楚。


近期,中国科学院遗传与发育生物学研究所张劲松研究组和陈受宜研究组通过解析水稻乙烯不敏感突变体mhz3(图A),鉴定了膜蛋白MHZ3及通过影响EIN2的N端跨膜区促进乙烯信号转导的作用机制。MHZ3编码一个内质网膜蛋白,其表达在转录和蛋白水平都受到乙烯诱导。遗传分析发现,MHZ3在乙烯信号通路中特异地作用于OsEIN2。其功能缺失导致OsEIN2蛋白稳定性降低,并阻碍乙烯诱导的OsEIN2蛋白积累;而MHZ3过量表达则显著提高OsEIN2蛋白丰度。进一步研究发现,MHZ3与OsEIN2蛋白直接互作,其N端和C端都结合在OsEIN2 N端跨膜区Nramp-like结构域上。二者互作能够有效抑制OsEIN2泛素化,是稳定OsEIN2蛋白所必须的。综上,乙烯诱导的MHZ3蛋白可通过结合OsEIN2 Nramp-like结构域来抑制其泛素化从而稳定OsEIN2蛋白以维持乙烯反应(图B)。这一研究揭示了乙烯信号的新调控因子MHZ3及作用机制,也强化了EIN2通过其N端Nramp-like结构域介导上游乙烯信号的潜在机制,拓展了有关EIN2研究的新思路。


该研究于2018年2月20日在线发表于PNAS杂志上(DOI:10.1073/pnas.1718377115)。马彪副研究员为论文第一作者,博士生周扬和已毕业的陈辉博士为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金和科技部973项目等资助。


图: MHZ3作用的分子机制。(A) mhz3突变体乙烯反应表型。Air:空气处理。ET:乙烯处理。(B) MHZ3稳定OsEIN2蛋白工作模型。MHZ3的N端和C端都可与OsEIN2的N端跨膜区结合,抑制其泛素化及降解,从而稳定OsEIN2及乙烯信号转导。


Abstract

The phytohormone ethylene regulates many aspects of plant growth and development. EIN2 is the central regulator of ethylene signaling, and its turnover is crucial for triggering ethylene responses. Here, we identified a stabilizer of OsEIN2 through analysis of the rice ethylene-response mutant mhz3. Loss-of-function mutations lead to ethylene insensitivity in etiolated rice seedlings. MHZ3 encodes a previously uncharacterized membrane protein localized to the endoplasmic reticulum. Ethylene induces MHZ3 gene and protein expression. Genetically, MHZ3 acts at the OsEIN2 level in the signaling pathway. MHZ3 physically interacts with OsEIN2, and both the N- and C-termini of MHZ3 specifically associate with the OsEIN2 Nramp-like domain. Loss of mhz3 function reduces OsEIN2 abundance and attenuates ethylene-induced OsEIN2 accumulation, whereas MHZ3overexpression elevates the abundance of both wild-type and mutated OsEIN2 proteins, suggesting that MHZ3 is required for proper accumulation of OsEIN2 protein. The association of MHZ3 with the Nramp-like domain is crucial for OsEIN2 accumulation, demonstrating the significance of the OsEIN2 transmembrane domains in ethylene signaling. Moreover, MHZ3 negatively modulates OsEIN2 ubiquitination, protecting OsEIN2 from proteasome-mediated degradation. Together, these results suggest that ethylene-induced MHZ3 stabilizes OsEIN2 likely by binding to its Nramp-like domain and impeding protein ubiquitination to facilitate ethylene signal transduction. Our findings provide insight into the mechanisms of ethylene signaling.


文章内容转自:中科院遗传所

文章下载链接:

http://www.pnas.org/content/early/2018/02/15/1718377115

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