2022-07-04
《Nucleic Acids Research》
影響因子：19.16
上周，派森諾生物與上海師范大學(xué)合作，于國際著名期刊《Nucleic Acids Research》發(fā)表了擬南芥葉綠體中基因轉(zhuǎn)錄翻譯新機(jī)制的研究成果。
研究背景
在大腸桿菌中，轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)是由NusG介導(dǎo)的。盡管葉綠體是內(nèi)共生原核生物的后代，但葉綠體中這種耦合的機(jī)制仍不清楚。在此，我們揭示了葉綠體中通過AtNusG進(jìn)行的轉(zhuǎn)錄-翻譯偶聯(lián)機(jī)制。
研究結(jié)果表明，AtNusG介導(dǎo)的葉綠體中轉(zhuǎn)錄和翻譯之間的耦合確保了植物生長的光合作用能力的快速建立和對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)。因此，我們的研究揭示了葉綠體和大腸桿菌之間轉(zhuǎn)錄-翻譯耦合的保守機(jī)制，它可能代表了葉綠體基因表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制。這項(xiàng)研究為高等植物中葉綠體基因表達(dá)的基本機(jī)制提供了新的見解。
研究路線
研究內(nèi)容
1.擬南芥中AtNusG與葉綠體PEP復(fù)合物相關(guān)
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，pTAC13活性和結(jié)構(gòu)與大腸桿菌NusG相似，故我們將pTAC13蛋白重命名為AtNusG。并通過SDS-PAGE、免疫印跡分析和BiFC等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AtNusG是通過與PAP9相互作用而與PEP復(fù)合物相關(guān)的。
2.AtNusG與葉綠體核糖體結(jié)合，并影響光合作用
WB和BiFC顯示， AtNusG與植物中的PRPS10和PRPS5相互作用，這也表明AtNusG與植物中的葉綠體翻譯機(jī)制密切相關(guān)。且敲除AtNusG基因可以延遲擬南芥葉綠體暗向光轉(zhuǎn)變過程中的發(fā)育，并影響擬南芥葉綠體類囊體膜系統(tǒng)的形成，進(jìn)一步影響光合作用。
3.敲除AtNusG改變了葉綠體的轉(zhuǎn)錄譜和葉綠體編碼的光合蛋白
為了研究AtNusG突變對(duì)基因表達(dá)的影響，我們進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，比較了AtNusG突變體和野生型植物基因表達(dá)的區(qū)別。結(jié)果表明，與野生型相比，atnusg有894個(gè)基因表達(dá)顯著差異(P < 0.05)。其中403個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，491個(gè)基因表達(dá)上調(diào)。GO富集分析顯示，這些基因參與RNA光合作用、色素代謝過程和質(zhì)體組織等。與光合作用相關(guān)的質(zhì)體基因psbA、psbB、psbC和psbD的差異變化不明顯，而其他轉(zhuǎn)錄本如rpoB和rpoC2的轉(zhuǎn)錄本水平增加，RT-qPCR驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果一致。
此外，我們的RNA測序分析顯示，在nusg突變體中，這些pep依賴的葉綠體轉(zhuǎn)錄本的編碼序列(例如psbA、psbB、psbC和psbD)中沒有發(fā)生插入/缺失突變。
4.atnusg突變體的葉綠體翻譯受損
免疫印跡分析顯示，與野生型植物相比，atnusg突變體中PRPL2 (uL2c)和PRPL4 (uL4c)的積累減少，而PRPS1 (bS1c)和PRPS5 (uS5c)的數(shù)量沒有明顯變化。RNA凝膠印跡分析顯示，atnusg和atnusg- C突變體的23S rRN A、16S rRN A、4.5S rRN A和5S rRN A的成熟形態(tài)與野生型相比均未發(fā)生明顯變化。這些數(shù)據(jù)表明，敲除AtNusG會(huì)損害這些質(zhì)體編碼的光合基因的葉綠體翻譯。
5.AtNusG的缺失誘導(dǎo)了對(duì)冷脅迫的敏感性
據(jù)報(bào)道，質(zhì)體核糖體活性缺陷的植物比野生型植物對(duì)低溫處理更敏感。我們對(duì)atnusg突變體和野生型做了一系列冷脅迫實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，AtNusG失活后，幼葉葉綠體發(fā)育受到了嚴(yán)重的損害。與野生型相比，atnusg突變體的核糖體蛋白數(shù)量也顯著減少。這些結(jié)果也表明，敲除AtNusG基因可以增強(qiáng)植物對(duì)冷脅迫的敏感性，類似于質(zhì)體核糖體活性或核糖體生物發(fā)生缺陷的突變體，這與AtNusG突變體中葉綠體翻譯能力受損的結(jié)論一致。
總 結(jié)
AtNusG在葉綠體中的作用模型
在文章的最后，作者提出了AtNusG在葉綠體中的作用模型。該模型顯示，AtNusG耦合了葉綠體PEP復(fù)合體和葉綠體核糖體，以保證葉綠體編碼的光合蛋白的快速合成。在atnusg突變體中，解耦降低了這些光合蛋白的翻譯效率，不能滿足葉綠體快速發(fā)育和在新生幼葉中建立光合作用能力的需要，而冷應(yīng)激加劇了對(duì)葉綠體發(fā)育的影響。
本研究的RNA測序和分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
原文索引：https://doi.org/10.1093/nar/gkac501
