研究背景

蛋白质从线粒体或质体到细胞核的易位是最简单和最直接的逆行通信 (Bobik et al.，2015)。线粒体和质体中的几种DNA结合蛋白在细胞核中都具有二级定位(Duan et al.，2017；Krupinska et al.，2020)。已有的研究表明蛋白质在细胞核、线粒体和质体之间的平衡可以通过两个主要机制来改变: i) 从细胞质中双重靶向线粒体或质体和细胞核(Ren et al.，2017)；或ii) 先导入线粒体或质体，随后重新定位到细胞核(Krause and Krupinska，2009；Isemer et al.，2013)。前人报道从细胞质中输入叶绿体的大部分蛋白质前体一部分需要通过叶绿体在外包膜(TOC)和叶绿体(TIC) 内包膜上转运蛋白，这是导入功能性光合机制所必需的，它使得蛋白质的导入对叶绿体生物发生至关重要(Jarvis和Lopez，2013)。但是这部分蛋白质前体的导入并不足以导致光合作用相关核编码基因(PhANGs) 转录下调，而是由另一部分细胞质中非输入质体前体蛋白的积累介导的(Kakizaki et al.，2009；Lee et al.，2009；Bischof et al.，2011；Wu et al.，2019)。后者可被泛素蛋白酶体系统(UPS)降解，这表明非输入质体前体的逆行信号传递与UPS介导的前体降解的清除之间存在调控联系(Sako et al.，2014)，但机制还不清楚。

WHIRLY（WHY）家族蛋白是多定位蛋白，在质体、线粒体和细胞核中具有多重功能。WHY1和WHY3参与维持质体DNA（ptDNA）的稳定性，WHY1/WHY3蛋白通过与单链DNA（ssDNA）的结合，抑制易出错的微同源介导重组（MHMR），并抑制高水平的ptDNA重排(Marechal et al.，2009；Capedocia et al.，2010；Zampini et al.，2015；Pe´rez Di Giorgio et al.，2019；Wang et al.，2021)。WHY1和WHY3也调控ROS细胞内动态平衡，它们功能的丧失导致约5%的群体中出现白色/黄色杂色叶片，以及其他应激和衰老现象(Lepage et al.，2013；Miao et al.，2013；Lin et al.，2019)。WHY2是WHY家族的另一个成员。当用DNA双链断裂（DSB）诱导剂环丙沙星（CIP）处理why2突变体时，在马铃薯中观察到类似于why1why3的表型(Marechal et al.，2009)。虽然迄今还没有证据表明WHY2参与线粒体DNA（mtDNA）复制，但可能需要WHY2来维持线粒体基因组的完整性。团队前期报道WHY2定位于线粒体、质体和细胞核，影响叶片衰老、胚胎发生和荚果发育(Huang et al.，2020)。然而，WHY2是如何从细胞质穿梭到线粒体、质体或细胞核的还未见报道。

研究内容

团队先前对HECT型泛素E3连接酶upl5突变体的比较泛素组学分析，发现了与UPL5互作的候选泛素化底物中包括WHY2 (Lan et al.，2022)。本研究团队使用酵母双杂交，双分子荧光互补（BiFC）和细胞器蛋白质免疫共沉淀（CoIP）实验，在体内和体外证明了UPL5与细胞质，质体、线粒体和细胞核中的WHY2相互作用，调节WHY2在质体、线粒体、细胞质、以及细胞核的分布和蛋白质丰度（图1）。

WHY2赖氨酸位点的序列突变的生化证据表明，Lys 45和Lys 227分别被UPL5选择性泛素化，是WHY2在叶绿体和细胞核中积累所必需的。Lys45位点泛素化促进WHY2在叶绿体积累，而Lys227位点泛素化促进WHY2在细胞核积累（图2）。

WHY2蛋白不同位点的泛素化状态和不同细胞区间WHY2蛋白的分布还受冷（4℃）诱导或外源施用CaCl₂引起的细胞质钙离子浓度[Ca²⁺]_cyt变化的影响（图3-4），这对维持细胞器基因组的稳定和延缓钙诱导叶片衰老具有重要作用。因此，本研究揭示了26S蛋白酶体与WHY2蛋白易位模块调控逆行信号传导的一种新机制，以维持细胞器基因组的稳定性，光合作用和延缓[Ca²⁺]_cyt诱导的叶片衰老。

福建农林大学已毕业博士生兰蔚博士（现淮北师范大学工作），在读博士生马伟博和硕士生郑帅为共同第一作者，福建农林大学任育军副教授和缪颖教授为共同通讯作者，本研究由国家自然科学基金和福建农林大学优博基金资助。

团队相关参考文献：

Miao Y, and Zentgraf U. A HECT E3 ubiquitin ligase negatively regulates Arabidopsis leaf senescence through degradation of the transcription factor WRKY53. Plant J. 2010; 63, 179-

Huang C, Yu J, Cai Q, Chen Y, Li Y, Ren Y*, and Miao Y*. Triple-localized WHIRLY2 Influences Leaf Senescence and Silique Development via Carbon Allocation. Plant Physiol. 2020; 184:1348.

Lan W, Zheng S, Yang P, Qiu Y, Xu Y and Miao Y*. Establishment of a Landscape of UPL5-Ubiquitinated on Multiple Subcellular Components of Leaf Senescence Cell in Arabidopsis. Int. J. Mol. Sci. 2022; 23: 5754.

Lan W₁, Ma W₁, Zheng S₁, Yang P, Qiu Y, Lin W, Ren Y*, and Miao Y*. UPL5 modulates WHY2 protein distribution in a Kub-site dependent ubiquitination in response to [Ca²⁺]_cyt-induced leaf senescence. iScience, 2023.

研究成果发表在Cell Press旗下iScience期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

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