生科院研究人员揭示植物体内假尿嘧啶的来源及清除机制

2020-01-16来源:生命科学学院作者:陈铭佳

1月10日,国际植物学权威期刊The Plant Cell在线发表了南京农业大学生命科学学院陈铭佳副教授和德国汉诺威大学Claus-Peter Witte教授作为共同通讯作者的合作研究论文“A Kinase and a Glycosylase Catabolize Pseudouridine in the Peroxisome to Prevent Toxic Pseudouridine MonophosphateAccumulation”。陈铭佳副教授2018年12月引进来校,在生科院植物激素课题组工作,该论文首次系统阐明了植物细胞中假尿嘧啶(Ψ)的来源和降解途径,并揭示了植物为防止假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)过度积累引发细胞毒力的机制。该论文第一署名单位为南京农业大学,该工作得到了国家自然科学基金,江苏省自然科学基金和德国国家自然基金(DFG)的资助。

近些年来RNA修饰研究领域发展迅速,成为新的研究热点。在众多已知的RNA化学修饰中,假尿嘧啶(Ψ)可以算得上是一种高丰度常见修饰了。Ψ广泛存在于tRNA、rRNA、snRNA以及mRNA等各类RNA中。随着RNA的降解,假尿嘧啶(pseudouridine)和其他核苷一起被释放在细胞中,形成游离核苷。而不同于常见核苷(腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶和尿嘧啶),假尿嘧啶不可以被细胞重新循环利用,以免扰乱RNA固有修饰图谱。

该论文中研究者发现,有别于哺乳动物(会将体内所产生假尿嘧啶通过泌尿系统排出),植物会利用两种特异性酶1)假尿嘧啶激酶(PUKI)和2)假尿嘧啶核苷酸水解酶(PUMY)一起工作,清除细胞内源性假尿嘧啶。具体为:PUKI先将假尿嘧啶磷酸化产生假尿嘧啶核苷酸,该产物随后被PUMY解和并水解为尿苷和5-磷酸核糖。


有意思地是,这两个酶均亚细胞定位于过氧化物酶体中。并且,植物缺少其中任意一种酶均可导致体内假尿嘧啶(pseudouridine)和假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)大量积累并且引起突变株种子萌发推迟现象(以植物缺失PUMY基因尤为严重)。从以上化学反应可知,假尿嘧啶的降解过程并不涉及氧化还原反应。那么植物中这两种酶为什么均定位于过氧化物酶体中呢?为了得到这一答案,研究人员人为地将细胞质特异性表达得PUKI过表达于PUKI突变株中,这样一来,就得到了在细胞质中表达PUKI,而在过氧化物酶体中表达PUMY的植物。该植物可以正常生长于1/2MS培养基中,却无法存活于外源添加了假尿嘧啶的培养基中。进一步实验表明,PUKI酶的产物假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)在细胞中,尤其是细胞质中,呈现显著细胞毒力,如果不能够被PUMY及时捕获并清除,将危害种子萌发和植物正常生长。

综上所述,植物细胞中的大部分假尿嘧啶(来源于rRNA的降解)在液泡中产生,经过转运至过氧化物酶体中,首先被PUKI磷酸化生成假尿嘧啶核苷酸,随后立即被PUMY捕获并水解为尿苷和5-磷酸核糖(如下图)。植物很聪明地进化出定位在过氧化物酶体内的PUKI和PUMY,一是有效地避免了在细胞质中产生具有细胞毒力的假尿嘧啶核苷酸;二是将整个假尿嘧啶降解过程压缩在一个相对狭小的空间内(过氧化物酶体中),加速了反应的正向效率;三是避免了假尿嘧啶降解过程对其他常见核苷(尤其是尿嘧啶)代谢的影响。


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