大约24-38亿年前,地球开始产生氧气,大气层由厌氧环境逐渐转变为富氧环境,自然选择促进了耗氧生物的生存优势和生命演化。耗氧代谢增加了多细胞生物的能量代谢效率,但高频的电子传递和能量转换不可避免地产生化学性质活泼、具有高度氧化力的活性氧分子(Reactive Oxygen Species, ROS),主要包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基以及一氧化氮等。细胞内累积过量ROS会导致DNA的氧化损伤以及蛋白质行为的改变, 引起细胞病变和死亡。 因此,长期以来,活性氧被认为是一种危险信号。多细胞生物正常生长发育过程中旺盛的能量代谢会产生大量ROS,除了自身清除机制,它们是否进化出更为“节能”的办法变废为宝,将危险信号变成有益信号?植物难以像动物那样自由移动来规避各种风险,它们是否进化出更为灵活和“聪明”的策略驾驭这些危险信号?
2021年2月25号Nature Chemical Biology 在线发表了题为ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的论文(DOI:10.1038/s41589-021-00739-0)。报道了中国科学院大学博士生导师、中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究组与合作者关于ROS激发蛋白质相分离控制干细胞命运的研究进展。该研究发现,正常生长发育的番茄茎尖分生组织周边区亦积累过氧化氢,它可以作为“有益”的发育信号,以依赖TMF的方式调控茎尖分生组织成熟和番茄开花时间。番茄茎尖分生组织成熟是一个精准的程序化发育过程,TMF编码一个含有保守半胱氨酸(Cysteine)的转录因子,通过抑制茎尖分生组织过早成熟(Precocious maturation),确保开花有序进行。TMF是控制茎尖干细胞命运,保障分生组织时序性发育的关键基因,它突变后,番茄过早开花,而且花序由多花变为单花。TMF在番茄茎尖分生组织的周边区特异表达,与过氧化氢积累的位置有部分重叠,而在这一区域表达的TMF蛋白在细胞核内呈现斑点状定位模式(Puncta)。进一步研究发现,TMF蛋白的半胱氨酸可以被在此累积的过氧化氢氧化,形成分子间和分子内的二硫键,二硫键促进TMF的天然无序区域(Intrinsically disordered region, IDR)聚集,增强了多价相互作用(Multivalency),进而驱动蛋白质相分离,靶向花原基(Floral meristem)分化基因ANATHA(AN),形成转录凝聚体(Transcriptional condensate),精准调控番茄茎尖分生组织的成熟(Meristem maturation)和开花。
该文章是迄今世界第一篇以作物为研究模式报道蛋白质相分离机制的科研论文。研究发现了一种新的蛋白质相分离机制:干细胞利用能量代谢的副产物ROS作为氧化信号,诱导转录因子二硫键形成和天然无序区多价作用,产生“双驱动力”引发相分离。该研究成果第一次将活性氧信号、蛋白质相分离和干细胞命运决定三个重要的生物学现象和科学问题建立了分子联系,并阐明了机制,系统验证了生物学功能,为该领域的突破性进展;首次将化学生物学信号,蛋白质行为直接与植物发育时序性转录调控联系在一起,更新了人们对植物茎尖干细胞命运决定机制的认识,将人们对发育生物学的认知推进到生物物理学和化学生物学层面,为使用交叉学科知识解析复杂生物学机制提供了范例。
该文章被Nature Chemical Biology选为featured article, 并配发了题为“Redox control of flowering”的亮点推荐和专评(https://www.nature.com/articles/s41589-021-00758-x)。评论认为该研究是“Particularly exciting”的重大突破,完全更新了人们对ROS以及植物干细胞调控机制的认识。
许操研究组博士后黄小珍、国科大博士研究生陈树栋为该论文的共同第一作者,许操研究员为论文通讯作者,清华大学李丕龙研究员为共同通讯作者。清华大学李丕龙研究组李维平、许操研究组唐伶俐、章月琴(现广东海洋大学)、杨宁、邹玉盼、翟夏琬(现江西农业大学)、肖楠、刘伟对该工作做出重要贡献。该工作得到王志珍院士、李家洋院士、Zachary Lippman教授、王磊研究员、杨靖研究员、蒋科研究员、吴庆钰研究员的指导和帮助。该研究得到中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目、中国科学院A类战略先导科技专项、科技部重点研发计划、自然基金委项目以及植物基因组学国家重点实验室资金支持。
图:活性氧激发转录因子蛋白质相分离控制植物干细胞命运
责任编辑:脱畅
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
国科大博士生导师许操研究组发现ROS激发的蛋白质相分离控制植物干细胞命运
本站小编 Free考研考试/2021-12-25
相关话题/信号 组织 植物 生物学 论文
国科大博士生导师李家洋研究组应邀在《National Science Review》杂志撰写社论文章
近日,中国科学院大学博士生导师、中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究员研究组受邀在植物学权威学术期刊NationalScienceReview发表题为《ShortandLongTermChallengesinCropBreeding》的社论文章(DOI:10.1016/j.tplants.20 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25国科大博士生导师程祝宽研究组在植物减数分裂纺锤体组装研究中取得新进展
减数分裂过程中,纺锤体的正确组装对于同源染色体的准确分离极其重要。但是,不同物种间纺锤体组装的机制并不保守。哺乳动物,线虫,和果蝇中对纺锤体的组装机制研究较为深入。然而对于植物性母细胞减数分裂过程中纺锤体组装的机制研究还十分缺乏。 中国科学院大学博士生导师、中国科学院遗传与发育生物学研究所程祝宽研 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25华南植物园小良站科研人员次系统估算并分析全球滨海湿地的碳埋藏速率及影响固碳速率的因素
滨海湿地“蓝碳”生态系统单位面积的固碳能力远超陆地和海洋。在最近发表于《国家科学评论》(NationalScienceReview,NSR,IF=16.7)的一项工作中,中国科学院华南植物园小良站科研人员利用全球613个样点的数据,首次系统估算了全球滨海湿地的碳埋藏速率、分析了影响固碳速率的因素,并 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25国科大博士生导师孙江华研究组发现蛔甙信号调控的昆虫低温适应机制
冬季低温是昆虫生存和繁殖的一个重要限制性因子。在长期进化过程中,温带或寒带昆虫形成了一系列低温适应策略和抗寒机制。其中,生理上的适应对于昆虫抗寒能力的产生和维持至关重要,但其信号调控机制尚不清楚。蛔甙(ascaroside)作为小分子信号物质在线虫中高度保守,且在其行为和发育上发挥着多种重要的功能。 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25国科大博士生导师刘光慧、曲静研究组参与建立衰老生物学多组学数据库
伴随着全球人口老龄化程度加剧,实现健康老龄化是目前亟待解决的重大社会问题和科学问题。近年来,随着衰老相关研究成果的不断增多以及高通量测序技术的日益发展,衰老相关多组学数据层出叠见。然而,目前尚缺乏一个综合性的整合衰老生物学多组学数据的数据资源库。 中国科学院动物研究所刘光慧研究组、曲静研究组和北京 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25国科大博士生导师蓝乐夫课题组在细菌细胞信号转导研究中获新进展
近日,中国科学院上海药物研究所蓝乐夫研究团队及其合作者发现双组份信号传导系统的重塑可能有助于铜绿假单胞菌的慢性感染。11月3日,相关研究成果发表在ScienceSignaling杂志上,并被选为封面论文和Science网站头条,题目为“Mutation-inducedremodelingoftheB ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25华南植物园在氮循环对气候变暖的响应机制研究中取得新进展
氮是驱动陆地生态系统净初级生产力和影响气候变暖进程的重要元素。我国相对富氮的热带森林正经历着较高的氮沉降,持续的气候变暖可能对我国热带森林的氮循环产生显著的影响。然而,关于气候变暖如何影响热带森林生态系统水平的氮动态及其潜在机制存在很大的不确定性,尤其是长期增温尺度上。 中国科学院大学2017级在 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25遗传发育所曹晓风研究组在植物核糖体前体加工和组装分子机制研究中取得重要进展
核糖体是细胞内蛋白质合成的分子工厂,其生物合成受到严格的监管和调控。核糖体生物合成缺陷会导致动植物胚胎致死、严重的人类遗传疾病和癌症的高频发生,以及农作物环境胁迫应答的异常和减产。对核糖体生物合成调控机理的研究一直是生命科学的研究热点。酵母和动物中有关核糖体前体加工和组装的研究相对较多,而植物中对于 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25遗传发育所高彩霞研究组应邀在Nature Reviews Molecular Cell Biology上发表CRISPR-Cas在农业与植物生物技术上的应用的综述文章
现代农业面临着诸多困境与挑战。现有的农作物栽培品种亟需改良与优化,以应对日益恶化的环境问题以及不断增长的世界人口。相比于传统育种,来自于原核生物的CRISPR-Cas系统可以准确、高效、可编程地对农作物基因组进行编辑,从而为未来的农业发展提供了新的机遇。中国科学院大学博士生导师,中国科学院遗传与发育 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25国科大本科生在植物复叶形态建成研究中取得突破
叶片是植物利用阳光进行光合作用的主要器官。高等植物的叶片有单叶和复叶之分。在复叶发育中,叶缘分生组织同时负责小叶的起始和伸展,并且两个过程都依赖生长素。一个重要的生物学问题是,叶缘分生组织是否独立地调控小叶起始和小叶伸展这两个发育过程?两个发育过程之间是否相互影响? 2020年9月5日,国际著名植 ...中国科学院大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-25