王志勇教授 王志勇教授《科学》解析信号传导关键环节

生物通报道:来自卡内基研究院植物生物学系,加州大学旧金山分校,中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室(Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Biology),南开大学生科院的研究人员利用蛋白质组学方法发现了类固醇信号传导链中的关键环节,从而加深了对于植物激素如何激活基因的理解,这不仅可能提高产量,而且还可能打开类固醇如何调控植物和动物细胞生长的新思路。

这一研究成果公布在最新一期(7月25日)《Science》杂志上。

领导这一研究的是卡内基研究院的王志勇教授,其早年毕业于兰州大学,主要从事植物激素信号传导研究,参予研究的还有植物研究所朱生伟(Shengwei Zhu,音译)等人。

1970年,美国的米切尔(Mitchell)等报道在油菜的花粉中发现了一种新的生长物质,它能引起菜豆幼苗节间伸长、弯曲、裂开等异常生长反应,并将其命名为油菜素(brassin)。格罗夫(Grove)等(1979)用227kg油菜花粉提取得到10mg的高活性结晶物,因是甾醇内酯化合物而将其命名为油菜素内酯(brassinolide,BR1)。

此后油菜素内酯及多种结构相似的化合物纷纷从多种植物中被分离鉴定,这些以甾醇为基本结构的具有生物活性的天然产物统称为油菜素甾体类化合物(brassinosteroids,BRs),BR在植物体内含量极少,但生理活性很强。



BR在植物界中普遍存在。

油菜花粉是BR1的丰富来源,但其含量极低,只有100~200μg·kg-1,BR1也存在于其他植物中。BR2在已分析的植物中分布最广。BR主要用于增加农作物产量,减轻环境胁迫,有些也可用于插枝生根和花卉保鲜。随着对BR研究的深入和更有效而成本更低的人工合成类似物的出现,BR在农业生产上的应用必将越来越广泛,一些科学家已提议将油菜素甾醇类列为植物的第六类激素。

油菜素内酯在很多方面都和动物类固醇相似,但是在细胞水平上的运作方式显然非常不同。动物细胞利用细胞核内的内部受体分子对类固醇做出响应,而在植物中,受体被固定在了细胞膜的外表面,而调控的目标是细胞核中的基因。

科学家面临的一个挑战是如何弄清这些激素信号从细胞表面受体传递到细胞核中发挥作用的每个步骤。过去的研究中,科学家们使用传统的遗传学方法发现了油菜素内酯信号传导路径的几个组成部分。然而, 由于遗传冗余性(多个基因在细胞中扮演相同的角色)等因素的限制,遗传学方法无法发现一个信号传导路径的所有组成部分。

为了发现这条信号传导链的各环节,这组科学家使用了蛋白质组学技术。“蛋白质组学类似于基因组学,”Wang说。

“在基因组学中,我们的目标是全面调查基因组中的所有基因。在蛋白质组学中,我们测绘蛋白质。”由于仅仅在一个生物体中就可能有成千上万种不同的蛋白质,蛋白质组学需要使用诸如双向凝胶电泳等技术。

双向凝胶电泳可以根据蛋白质大小和电荷的差异而一次分离和处理数千种蛋白质。


但是即便使用了这些方法,分离低丰度的信号传导蛋白质仍然是一个令人生畏的任务。“此前试图发现这些分子的尝试失败了,因为这些蛋白被丰度更高的蛋白质淹没了。

”Wang说。“但是由于我们知道这些蛋白会与细胞膜结合,我们设法把细胞膜和细胞的其它部分分开,然后只分析细胞膜部分。而这种方法成功了。”


这项研究把目标对准了一类称为激酶的蛋白质,它们通过用磷酸基团修饰其他蛋白来传递信号。

电泳分析发现了一组对油菜素内酯的存在做出响应的激酶。该组科学家将这些蛋白质命名为BSKs(油菜素内酯信号传导激酶)。

进一步的分析证实了它们在油菜素内酯信号传导过程中的关键功能。


“BSKs是首次用定量蛋白质组学方法在植物中发现的信号传导主要组成部分。”Wang说。“发现这些蛋白质填补了油菜素内酯信号传导路径的一个大空白,而且可能对于我们理解植物的其他信号传导过程也有重大意义。

植物基因组编码数百种细胞表面的受体,但是缺失的重要环节是它们怎样与细胞内信号传导级联之间相联系。

植物细胞也含有相当数量的与BSKs类似的蛋白质,因此这使人们推测它们就是那些缺失的环节。”Wang的发现不仅帮助确立了植物类固醇信号传导路径的关键环节,而且还可能为植物激酶信号传导以及一般的细胞表面受体介导的类固醇信号传导提供一个新的范式。更重要的是,Wang的研究成功展示的这种蛋白质组学方法将对其他信号传导路径的研究产生重大影响。(来自EurekAlert!中文版)

王志勇教授一直关注着植物激素的研究,在2007年其研究小组在PNAS杂志上发表了相关的研究成果:通过RNAi技术对OsBZR1和14-3-3蛋白进行研究,找到一种新的调控OsBZR1活性的机制。这些机制的了解可使人们通过基因工程的方法精细调控水稻体内的油菜素内酯响应,为水稻高产育种提供重要的理论依据和新的操作手段。
(生物通:张迪)