PNAS | 顧本國博士等揭示DA1家族蛋白酶在信號轉導中的新功能

責編 | 王一

近期，來自英國John Innes Centre的Michael W. Bevan研究組在PNAS發表了題爲Modulation of receptor-like transmembrane kinase 1 nuclear localization by DA1 peptidases in Arabidopsis的研究論文 （顧本國博士爲該論文的第一作者兼共同通訊作者） ，揭示了DA1家族蛋白酶通過切割TMK1參與生長素信號轉導的新功能。

植物激素生長素 （Auxin） 調控細胞的生長，存在一個有趣的現象：低濃度促進細胞生長而高濃度具有抑制作用。2019年， 徐通達教授課題組報道，這個現象是由質膜蛋白TMK1改變亞細胞定位導致。低濃度生長素下，TMK1定位在質膜上，軟化細胞壁，促進細胞的酸性生長。而在高濃度條件下，C端的激酶 （TMK1C） 入核，磷酸化生長素信號的抑制蛋白IAA32和IAA34，增加其穩定性，抑制生長素信號和細胞生長 （點擊查看） 。TMK1C的亞細胞定位，決定了促進（質膜）與抑制（細胞核）細胞生長的相反功能。然而，TMK1C是如何從質膜上脫落並不清楚。

DA1家族蛋白是植物生長調節因子，由中科院遺傳發育所李雲海研究員在Mike Bevan實驗室發現。南京農業大學董慧教授，在JIC期間發現，DA1, DAR1和DAR2是功能冗餘的蛋白切割酶，通過切割多個生長調控因子、導致其降解，抑制細胞分裂，促進核內多倍化，從而控制器官大小。同時，DA1蛋白酶受到泛素化激活、去泛素化失活和磷酸化抑制。DA1家族的蛋白切割活性，是否參與其他生化過程，比如信號轉導、蛋白加工等，仍需要進一步研究。

在前期的工作中，董慧博士發現TMK1可以被DA1切割。之後，研究人員確定DA1的切割片段與已報道的TMK1C是同一個片段，並通過構建TMK1切割位點的突變體，確定了DA1的切割導致TMK1C入核，同時，切割受到生長素的誘導。在頂端彎鉤中，生長素濃度梯度導致的梯度切割和TMK1C在覈內梯度積累，這是形成閉合頂端彎鉤所必需的。生長素誘導啓動子DR5表達的TMK1C，頂端彎鉤閉合，互補了tmk1-1突變體的表型。進一步證實，生長素調控的TMK1C梯度，決定頂端彎鉤的閉合。對DA1家族的三個蛋白切割酶的表達研究發現，DAR1在頂端彎鉤中高表達，是頂端彎鉤閉合的關鍵蛋白。DA1和DAR2表達量很低，貢獻很小。

綜上，這項工作的亮點在於兩個方面。第一，鑑定了TMK1切割蛋白酶，解釋了TMK1從質膜到核內的加工過程。第二，例證DA1家族蛋白酶在信號轉導中的功能，膜上切割、入核，重編轉錄。由於DA1的切割位點是在細胞膜內側的細胞質中，不同於經典的RIP （Regulated Intramembrane Proteolysis） 機制，切割位點在細胞膜內的兩層磷脂中間。這預示着一個信號由膜入核的新機制，但這個機制的普遍性仍需要更多的例證。

JIC的顧本國博士和南京農業大學的董慧教授爲本文的共同第一作者，JIC的Mike Bevan教授和顧本國博士爲共同通訊作者，JIC的Caroline Smith， 中科院遺傳發育所李雲海研究員和博士生崔桂彩參與了該項工作。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205757119