光控形態(tài)建成對(duì)于幼苗的出土存活及營(yíng)養(yǎng)方式轉(zhuǎn)變等至關(guān)重要。30多年的研究確立了泛素連接酶COP1（CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1）介導(dǎo)的蛋白降解在調(diào)控幼苗光形態(tài)建成中的核心作用。近期北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺團(tuán)隊(duì)與南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李健團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)黑暗中COP1可以通過K63泛素化抑制生長(zhǎng)素酰胺合酶GH3.5的酶活，從而促進(jìn)擬南芥幼苗下胚軸伸長(zhǎng)。這項(xiàng)題為“Inactivation of GH3.5 by COP1-mediated K63-linked ubiquitination promotes seedling hypocotyl elongation”的研究成果于2025年4月14日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。
泛素化修飾是一種重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，在真核生物中高度保守，參與蛋白質(zhì)降解、DNA損傷響應(yīng)、細(xì)胞周期調(diào)控等多個(gè)生物學(xué)過程。泛素分子含有7個(gè)賴氨酸殘基，在不同的賴氨酸位點(diǎn)形成泛素鏈可對(duì)底物蛋白產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)。K48泛素鏈?zhǔn)亲顬榻?jīng)典的修飾類型，攜帶這種泛素鏈的蛋白通常會(huì)被靶向至26S蛋白酶體進(jìn)行降解；K63泛素鏈?zhǔn)莾H次于K48鏈的第二大類泛素鏈，其通常不介導(dǎo)底物的降解，而是調(diào)控底物蛋白的酶活、亞細(xì)胞定位等。值得注意的是，高等植物基因組編碼了1000多個(gè)泛素連接酶（E3），但目前僅發(fā)現(xiàn)個(gè)位數(shù)的E3能夠介導(dǎo)K63泛素化。COP1介導(dǎo)的泛素化降解作用在動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育中高度保守，但COP1是否介導(dǎo)非降解型泛素化進(jìn)而調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育尚不清楚。
本研究首先通過遺傳學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)COP1在擬南芥體內(nèi)參與K63泛素鏈的形成。接著，為篩選COP1介導(dǎo)的K63泛素化的底物，利用IP-MS技術(shù)設(shè)計(jì)了兩套蛋白鑒定實(shí)驗(yàn)：一方面利用能特異結(jié)合K63泛素鏈的K63 TUBE（K63 TANDEM UBIQUITIN BINDING ENTITY）瓊脂糖凝珠從擬南芥體內(nèi)富集并鑒定K63泛素化依賴于COP1的蛋白；另一方面利用常規(guī)的IP-MS鑒定COP1的互作蛋白。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)鑒定到GH3.5可能是COP1 K63泛素化的底物。GH3.5屬于生長(zhǎng)素酰胺合成酶家族，能夠催化IAA與天冬氨酸（Asp）共價(jià)連接成IAA-Asp，從而失活IAA，抑制下胚軸伸長(zhǎng)。本研究證實(shí)COP1能夠?qū)?span style="font-family:'times new roman'">GH3.5進(jìn)行K63泛素化修飾，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)COP1介導(dǎo)的K63泛素化不影響GH3.5的蛋白穩(wěn)定性，卻顯著抑制GH3.5的酶活，從而抑制IAA-Asp的生成、維持IAA的活性，最終促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)。光信號(hào)可以逆轉(zhuǎn)COP1介導(dǎo)的GH3.5酶活抑制，促進(jìn)IAA催化為IAA-Asp，從而失活IAA、抑制下胚軸伸長(zhǎng)（圖1）。綜上，該工作發(fā)掘了COP1介導(dǎo)的泛素化修飾調(diào)控蛋白降解之外的新功能，揭示了光信號(hào)調(diào)控生長(zhǎng)素活性的分子機(jī)制，為光控生長(zhǎng)素代謝調(diào)節(jié)植物形態(tài)建成的研究提供了新視角。
圖1 COP1通過K63泛素化抑制GH3.5酶活來促進(jìn)幼苗下胚軸伸長(zhǎng)
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院助理研究員劉永庭博士為本文第一作者；北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院鄧興旺院士和南京師范大學(xué)李健副教授為論文共同通訊作者；西北農(nóng)林科技大學(xué)謝銀鵬教授和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)許冬清教授也參與了本研究工作。本項(xiàng)研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、江蘇省生物學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科、南方科技大學(xué)以及深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58767-6