DNA是生物體遺傳信息的載體，是正常生長、發(fā)育和繁衍所需的遺傳模板，維持DNA的完整性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。紫外線、輻射和環(huán)境污染等引起的DNA損傷影響人和動物的衰老，導(dǎo)致疾病乃至癌癥。對植物而言，外界環(huán)境因子，如土壤鹽堿、重金屬、電離輻射、紫外線、洪澇等脅迫，同樣會導(dǎo)致DNA損傷，嚴重影響植物生長發(fā)育甚至對作物生產(chǎn)造成危害。然而DNA損傷響應(yīng)及修復(fù)的機制在動物和植物中并不完全相同，在植物中的研究較為滯后。揭示調(diào)控植物DNA損傷及其修復(fù)的機制對于增強作物抗性、提高生物產(chǎn)量具有重要生物學(xué)意義。
近日，青島能源所李勝軍研究員帶領(lǐng)的能源植物改良與利用研究組揭示了MAC5A和26S蛋白酶體協(xié)同調(diào)控植物DNA損傷響應(yīng)（DDR）進而影響植物生長發(fā)育及適應(yīng)高硼脅迫的新機制，相關(guān)成果發(fā)表在Plant Physiology《植物生理》。
MOS4-associated complex （MAC）復(fù)合體參與植物的生長發(fā)育、脅迫響應(yīng)、pre-mRNA可變剪切和miRNA生物合成等眾多生物學(xué)過程。MAC5是MAC復(fù)合體的一個附屬亞基，功能完全喪失后導(dǎo)致嚴重的發(fā)育缺陷和胚胎致死。研究團隊之前的研究表明MAC5通過調(diào)控pri-miRNA的穩(wěn)定性影響miRNA的積累（Li et al., PNAS 2020），但MAC5在植物體內(nèi)的其它生物學(xué)功能尚不完全清楚。
圖. MAC復(fù)合體調(diào)控植物DNA損傷響應(yīng)及生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)性
該項研究發(fā)現(xiàn)，MAC5A缺失突變體mac5a對甲基磺酸甲酯（MMS，一種DNA損傷誘導(dǎo)劑）的處理更加敏感，表現(xiàn)出主根生長抑制、真葉葉原基發(fā)育延緩等表型。通過RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，MAC5A缺失導(dǎo)致DDR相關(guān)基因的表達及pre-mRNA的可變剪切發(fā)生變化。此外，通過IP-MS質(zhì)譜分析鑒定到多個26S蛋白酶體亞基與MAC5A互作，通過生化和遺傳分析進一步驗證了MAC5A與26S蛋白酶體關(guān)鍵亞基RPN1A和RPT2A之間的互作關(guān)系。有意思的是，MAC5A調(diào)控26S蛋白酶體的活性，同時26S蛋白酶體也影響MAC5A蛋白的降解。此外，土壤中高濃度的硼影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，其中一個主要的原因是高硼脅迫導(dǎo)致植物DNA損傷。該研究發(fā)現(xiàn)，MAC復(fù)合體的多個核心亞基和26S蛋白酶體均參與高硼誘導(dǎo)的DNA損傷響應(yīng)過程。綜上所述，該研究揭示了MAC復(fù)合體和26S蛋白酶體協(xié)同調(diào)控植物DDR過程的分子機制。
青島能源所博士后孟祥祥和已出站博士后王全慧為該論文的共同第一作者，李勝軍研究員為該論文的通訊作者，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校于彬教授、河南大學(xué)胡筑兵教授、西南大學(xué)杜海教授參與了該研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金面上項目、山東能源研究院創(chuàng)新基金、山東省青年基金、中科院特別研究助理、博士后科學(xué)基金等項目的資助。
植物的生長發(fā)育與環(huán)境適應(yīng)能力受到RNA的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，揭示調(diào)控植物生長、抗逆的分子基礎(chǔ)有助于作物尤其是能源作物的遺傳改良。截至目前，該團隊在RNA轉(zhuǎn)錄后加工領(lǐng)域取得了一系列進展，揭示了MAC復(fù)合體附屬亞基MAC5（Li et al., PNAS 2020）、MAC復(fù)合體核心亞基MAC3（Li et al., Plant Cell 2018）、DEAD-box RNA 螺旋酶SMA1（Li et al., NAR 2018）調(diào)控植物生長發(fā)育和miRNA合成代謝的生物學(xué)機制。 （文/圖 孟祥祥）
Xiangxiang Meng#, Quanhui Wang#, Ruili Hao, Xudong Li, Mu Li, Ruibo Hu, Hai Du, Zhubing Hu, Bin Yu, Shengjun Li*. RNA-binding protein MAC5A interacts with the 26S proteasome to regulate DNA damage response in Arabidopsis. Plant Physiology, 2022.
