Nature Commun.：蛋白质泛素化修饰调控拟南芥生物钟的新机制

来源：BioArt植物

原标题：Nature Commun.：蛋白质泛素化修饰调控拟南芥生物钟的新机制

生命体的生物钟依赖于光受体感知光信号变化并将信号传输给核心振荡器【1】。对植物来说，尤其重要的是感知光暗转换的确切时刻，因为光暗转换时刻包含白昼时长以及季节性的日照长度变化信息，植物通过生物钟整合这些信息并调整内在的发育进程【2】。拟南芥感知白昼结束的一个主要方式是光受体ZTL (ZEITLUPE)，ZTL通过N端的LOV (light-oxygen-voltage sensing) 感知蓝光，临近LOV结构域存在一个F-box结构域，这个结构域赋予ZTL以E3泛素连接酶活性，使ZTL在黑暗条件下催化生物钟转录因子TOC1, PRR5及CHE的多泛素化修饰，多泛素化的蛋白会被蛋白酶体所降解【3】。ZTL的LOV结构域还以光照依赖的方式与分子伴侣GI (GIGANTEA) 相互作用，GI一方面进一步招募HSP70/HSP90来促进ZTL在光照下的成熟与积累，另一方面GI阻止了ZTL的E3 泛素连接酶的活性，使得ZTL在光照条件下不能催化底物蛋白的泛素化降解过程【4】。但是关于GI拮抗ZTL的E3泛素连接酶活性的内在机制尚不清楚。

近期，美国耶鲁大学Joshua Gendron教授课题组发现，GI通过招募去泛素化酶UBP12和UBP13 (UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 and 13) 来拮抗ZTL的E3 泛素连接酶活性，并且UBP12 和 UBP13可以调控ZTL和GI的蛋白稳定性。相关结果以GIGANTEA recruits the UBP12 and UBP13 deubiquitylases to regulate accumulation of the ZTL photoreceptor complex为题发表于杂志Nature Communications 上。

在前期研究中，研究者通过ZTL的IP-MS实验鉴定到了UBP12 和 UBP13，进一步的蛋白互作实验证实UBP12 和UBP13通过MATH结构域直接与GI互作但不与ZTL互作，通过GI的搭桥作用，ZTL与GI，UBP12或者UBP13形成一个复合体。UBP12和UBP13突变后会导致生物钟周期变短，并且二者功能并不冗余【5】，而ZTL突变导致生物钟周期变长。研究者以生物钟核心组分CCA1的周期性表达模式为指标，研究UBP12，UBP13与GI和ZTL的上位关系，结果表明UBP12，UBP13与GI和ZTL位于同一途径调控生物钟进程，ZTL位于UBP12，UBP13及GI的遗传下游。并且通过互补试验研究者证实UBP12对生物钟的调控依赖于去泛素化酶活的活性。

研究者进一步探索了UBP12，UBP13对GI，ZTL以及ZTL的泛素化底物TOC1的蛋白稳定性的影响。结果表明UBP12/UBP13从mRNA和蛋白水平维持GI含量，而以转录后水平稳定ZTL和TOC1的蛋白含量。同时也证实了UBP12/UBP13和ZTL以相互拮抗的方式调控TOC1的蛋白含量。

根据以上数据及前期的研究结果，研究者提出了关于UBP12/UBP13，GI及ZTL的工作模型。ZTL通过LOV结构域与GI互作，GI一方面通过招募HSP90促进了ZTL的成熟，另一方面GI还可以招募去泛素化酶UBP12/UBP13来拮抗ZTL在白天对底物TOC1的泛素化降解，而在夜晚GI不能与ZTL互作，ZTL可以催化TOC1的多泛素化修饰。同时UBP12/UBP13还参与维持了GI和ZTL的蛋白质稳定性。

图1：UBP12/13调控ZTL活性的工作模型

综上所述，该研究明确了GI拮抗ZTL的E3泛素连接酶活性的内在机制，证明了泛素连接酶和去泛素化酶这两种活性相反的酶对于保证生物钟的正常进行都至关重要，并且去泛素化酶做为生物钟的核心组分从动物到植物都是保守的。

参考文献

[1] Carre, I. A. Day-length perception and the photoperiodic regulation of flowering in Arabidopsis. J. Biol. Rhythms 16, 415–423 (2001).

[2] Yanovsky, M. J. & Kay, S. A. Molecular basis of seasonal time measurement in Arabidopsis. Nature 419, 308–312 (2002).

[3] Ito, S., Song, Y. H. & Imaizumi, T. LOV domain-containing F-box proteins: light-dependent protein degradation modules in Arabidopsis. Mol. Plant 5,573–582 (2012)

[4] Kim, W. Y. et al. ZEITLUPE is a circadian photoreceptor stabilized by GIGANTEA in blue light. Nature 449, 356–360 (2007).

[5] Cui, X. et al. Ubiquitin-specific proteases UBP12 and UBP13 act in circadian clock and photoperiodic flowering regulation in Arabidopsis. Plant Physiol.162, 897–906 (2013).

论文原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11769-7