Plant Cell、Mol Plant两篇论文报道硫化氢调控ABA信号的机制

来源：BioArt植物

硫化氢（H2S）是一种气体信号分子，在调节植物生长发育和环境适应性等方面发挥了重要功能。蛋白质Cys残基上的硫醇基团（R-SH）非常活泼，具有参与氧化还原反应的特性，而蛋白质R-SH可被H2S修饰进而形成R-SSH，该种翻译后修饰作用被称为蛋白质硫巯基化修饰。南京农业大学生命科学学院谢彦杰研究组线后在The Plant Cell和Molecular Plant发表论文，揭示了硫化氢和硫巯基化修饰调控ABA信号的机制。

1. 2020年2月5日，谢彦杰研究组在The Plant Cell发表了题为Persulfidation-based Modification of Cysteine Desulfhydrase and the NADPH Oxidase RBOHD Controls Guard Cell Abscisic Acid Signaling 的研究论文，报道了硫化氢介导的硫巯基化翻译后修饰在ABA诱导的气孔关闭信号通路中的调控模式。

植物叶片表皮上的气孔由特殊的保卫细胞形成。这些保卫细胞能感知多种刺激，从而控制气体交换和蒸腾失水，这对植物在不断变化的环境中的生长和维持至关重要。在干旱条件下，植物快速合成干旱胁迫激素ABA，触发信号转导，导致气孔关闭，减少水分流失。ABA诱导的气孔关闭过程通常伴随着活性氧（ROS）的迅速大量产生，ROS在保卫细胞中作为第二信使诱导气孔关闭。质膜定位的NADPH氧化酶RBOHD和RBOHF是保卫细胞信号传导途径的重要元件，他们介导了气孔关闭过程中ROS的产生。

L-半胱氨酸脱硫酶1（ L-CYSTEINE DESULFHYDRASE 1, DES1）是拟南芥细胞质中产生H2S的重要酶。该研究发现，DES1自身也能发生硫巯基化修饰从而自激活，这一现象与磷酸激酶发生自磷酸化的现象非常类似。DES1的Cys44和Cys205是发生硫巯基化的重要位点。ABA能迅速诱导保卫细胞中的DES1发生硫巯基化。DES1发生硫巯基化的程度还受胞内氧化还原状态调节，且与ABA诱导气孔关闭相关。同时发现NADPH氧化酶RBOHD也能发生巯基化修饰，RBOHD-C末端的Cys825和Cys890是发生硫巯基化的位点，RBOHD-C末端的硫巯基化修饰程度也与胞内氧化还原状态有关。

该研究建立了DES1/H2S介导的蛋白硫巯基化修饰调节ABA诱导气孔关闭的分子机制。在ABA诱导下，DES1的Cys44和Cys205位的Cys残基被H2S通过硫巯基化活化，DES1活性迅速激活，导致短时间内胞内H2S大量累积，浓度提高，有助于进一步放大和传递ABA信号。NADPH氧化酶RBOHD的Cys825和890位能进一步发生硫巯基化修饰，从而刺激ROS的大量产生，诱导气孔关闭。胞内过量产生的ROS能调节DES1和RBOHD的硫巯基化程度，从而起到反馈抑制ABA信号的持续激活的作用。

2. 在上述研究的基础上，2021年3月6日，谢彦杰研究组又在Molecular Plant 发表了题为Hydrogen Sulfide-linked Persulfidation of ABSCISIC INSENSITIVE 4 Controls Arabidopsis ABA Responses Through the Transactivation of Mitogen-Activated Protein Kinase Kinase Kinase 18 的研究论文，报道了硫化氢和硫巯基化修饰在脱落酸（ABA）对丝裂原活化蛋白激酶系统的调控模式。

ABA INSENSITIVE4（ABI4）是ABA信号途径中的一个正调控因子。ABI4是一个“枢纽型”的重要转录因子，它可以通过与CACCG或CCAC的DNA基序结合，实现对多个靶基因表现出转录激活或抑制效应，介导受植物激素网络调控的多个生理途径。该研究发现，ABI4位于DES1调控植物ABA应答的下游。ABI4具有3个潜在的硫巯基化修饰位点，其中Cys250能发生硫巯基化修饰。ABA能诱导ABI4的Cys250发硫巯基化修饰，这一过程在des1突变体中被削弱。同时，Cys250及其硫巯基化修饰调控了ABI4介导的ABA应答反应。

丝裂原活化蛋白激酶（MITOGEN-ACTIVATED PROTEIN KINASE, MAPK）级联系统是在真核生物中发现的保守信号通路，它们在环境和发育信号的传递中起重要作用，参与不同的细胞过程，如生长、发育和胁迫响应。遗传学和生物化学研究表明，MAPKKK18是ABI4调控的下游靶标。在ABA信号途径中，ABI4结合MAPKKK18启动子CE1原件，MAPKKK18转录受激活。ABI4-MAPKKK18的这一转录调控过程也受硫巯基化修饰调控。巯基化修饰能提高ABI4对MAPKKK18转录激活的能力，但并不影响ABI4对CE1原件的结合。同时巯基化修饰能提高ABI4对DES1转录激活能力。

该项研究结果揭示了ABI4是ABA信号与MAPK级联系统信号传递的交汇枢纽，同时阐明了H2S介导的巯基化修饰在ABA转录调控中功能。在ABA信号中，H2S引发ABI4 Cys250发生硫巯基化修饰，进一步促进了MAPKKK18的转录激活。相关研究结果拓展了我们对H2S和硫巯基化修饰在ABA信号转导转录水平调控的认识。

南京农业大学生命科学学院博士生周明健、张晶、已毕业硕士沈杰和师资博士后周恒为该论文的同等贡献第一作者，谢彦杰教授为通讯作者。国家蛋白质科学中心杨靖研究员、西班牙国家科学研究委员会Cecilia Gotor和Luis Romero研究员、南京农业大学沈文飚教授、江苏省农科院经作所袁星星副研究员参与了部分研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金和欧洲区域发展基金资助。

论文链接：

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(21)00082-4

http://www.plantcell.org/content/early/2020/02/05/tpc.19.00826

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3ODY3MDM0NA==&mid=2247503829&idx=1&sn=2f7f42fac712b0e39b210d14c53f8dcb