研究揭示O-糖基化修飾調控生物鐘周期的分子機制

生物鐘是植物細胞中感知並預測光照和溫度等環境因子晝夜周期性變化的精細時間機制，它通過協調代謝與能量狀態以適應環境因子的晝夜動態變化，從而為植物的生長發育提供適應性優勢。生物鐘周期紊亂會嚴重影響植物多種生理和發育關鍵過程，如開花時間和脅迫應答等。生物鐘核心因子的翻譯後修飾如磷酸化和泛素化等，可以精確調控生物鐘周期。O-糖基化修飾是一類新發現的蛋白質翻譯後修飾類型，其是否參與植物生物鐘精細調控及其相關機制還不清楚。

中國科學院植物研究所王雷研究組通過植物活體發光實驗結合生物鐘表型的計算分析發現，與動物中作為O-β-N-乙醯葡糖胺修飾轉移酶（O-GlcNAc）的SEC參與調控生物鐘周期不同，在植物中則主要是作為O-巖藻糖基化（O-Fucrose）修飾轉移酶的SPY特異調控生物鐘周期。通過構建細胞核和質特異定位的SPY蛋白表達載體，結合植物活體發光的實驗證據，發現SPY蛋白主要是在細胞核中參與調控生物鐘周期。進一步通過免疫共沉澱結合質譜分析、酵母雙雜交以及雙分子螢光互補等篩選SPY蛋白的互作蛋白組，發現SPY蛋白的TPR結構域可以與生物鐘核心組分PRR5蛋白的C-端在細胞核內互作，並將其O-巖藻糖基化。細胞學觀察和生化分析結果表明O-巖藻糖基化修飾不改變PRR5亞細胞定位，但會促進PRR5蛋白的降解，這也是首次發現O-巖藻糖基化可以調控蛋白穩定性。遺傳學證據表明PRR5在遺傳上位於SPY的下遊發揮作用。該研究結果表明儘管O-糖基化調節生物鐘周期在演化上具有保守性，其在哺乳動物中主要是通過O-GlcNAc糖基化修飾，而在高等植物中則是通過O-巖藻糖基化修飾，為翻譯後修飾精細調控生物鐘周期提供了新見解。

該研究成果於2019年12月31日在線發表於國際學術期刊Molecular Plant。王雷研究組已畢業博士研究生王巖為該論文的第一作者，在讀博士生何雨晴和蘇晨也對該研究做出了重要貢獻，美國杜克大學教授孫太平為合作研究者，王雷為通訊作者。該研究得到中科院戰略性先導科技專項和中科院前沿科學重點研究項目等的資助。

SPY調控植物生物鐘周期的機制。(A).雙光子雷射掃描顯微鏡觀察SPY細胞核與細胞質的特異定位。(B).蛋白質印跡檢測CHX處理後PRR5蛋白水平發現在SPY突變體中PRR5蛋白的降解速度變慢。(C).持續紅光條件下PRR5的突變能部分恢復SPY突變體的生物鐘表型。(D).簡化的SPY調控生物鐘周期的分子模型。

來源：中國科學院植物研究所