内质网相关的E3泛素连接酶是植物生长和胁迫响应的关键调控因子

2021年4月16日，中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室谢旗团队在Plant Communications发表了题为“Endoplasmic Reticulum-Related E3 Ubiquitin Ligases: Key Regulators of Plant Growth and Stress Responses”的综述文章，谢旗研究员和吴耀荣副研究员为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金和中国转基因项目的资助和支持。

概述：本文综述了与内质网相关的E3泛素连接酶在植物生长、内质网相关蛋白降解和内质网吞噬、非生物和生物胁迫响应以及激素信号转导中的功能。另外，重点介绍了在ER相关的E3泛素连接酶研究中需要解决的问题，并提出了进一步的研究建议。

内容简介：泛素蛋白酶体系统（UPS）在调节真核生物各种细胞活动中起着基础性作用，其中的核心成员泛素蛋白连接酶（E3s）具有决定底物特异性的功能。内质网（ER）是最大的膜包被细胞器，是蛋白质和脂质生物合成及其随后分布的主要场所，许多嵌入在ER或胞质中的蛋白在ER稳态中发挥不同的功能，并参与植物发育。广泛研究表明，ER定位的E3s在细胞稳态中具有正向或负向调控作用。多数与ER相关的E3s在植物和哺乳动物之间是保守的，并且有些已被报道属于植物特异性成分。

总结与展望：

1. 在过去十年里，植物ER相关E3s的功能研究取得了重大进展，在植物生长和胁迫响应中发挥重要作用（表1）。本文所描述的E3s多数属于RING型，以正向或负向的方式靶向底物，因此，RING型E3s在ER蛋白平衡和ER网络维持中发挥主要作用。该类E3主要包含TM区域，并锚定在ER膜中，表明TM可能与E3在ER动态平衡和植物发育中的功能紧密相关。此外，一些E3基因可参与多种不同的途径来发挥功能[1]（图1）。目前ER相关E3s的工作进展主要是通过遗传和生化手段在拟南芥和水稻这类模型植物系统中进行的研究，而对于在其他植物中的功能机制仍知之甚少。基因组测序技术的发展将有助于识别和鉴定更多的ER相关E3蛋白。但是，对属于同一个大家族且具有高度功能重叠的E3s进行功能研究仍然是一个挑战。目前新兴的强大技术，如CRISPR-CAS9等将帮助研究者通过生成基因家族的不同突变体来分析它们的功能。

表1. 植物ER-相关E3s的已知功能和靶标

图1. 内质网相关的E3泛素连接酶在植物生长和胁迫响应中发挥关键作用

2. UPS和ER-吞噬是两个主要的利用泛素作为选择标记的蛋白水解系统，它们在植物发育和胁迫响应中以相互合作和相互影响的方式来调节细胞稳态[2-4]。虽然两者的关系已在哺乳动物中得到解析，但在植物中还缺乏了解。

3. 越来越多的证据表明ER相关的E3蛋白在植物生长发育中起关键作用，但其中仍存在许多亟待解决的问题，包括对它们的底物进行识别和鉴定。尽管酵母双杂筛选和免疫沉淀-质谱分析（IP-MS）便于识别互作蛋白，但仍有许多ER相关的E3蛋白未被鉴定出靶向底物，以及定位在ER中的一些底物未能发现相应的E3s。最近开发的邻近标记-质谱技术是一种功能灵敏和强大的蛋白互作鉴定方法，近年来已成功应用于植物研究[5-7]。另外，不同的高通量方法的应用将加深我们对ER相关E3s的理解，并为该领域未解决的问题提供答案。

参考文献：

1. Deng, F., Guo, T., Lefebvre, M., Scaglione, S., Antico, C.J., Jing, T., Yang, X., Shan, W., and Ramonell, K.M. (2017). Expression and regulation of ATL9, an E3 ubiquitin ligase involved in plant defense. PLoS One 12:e0188458.2. Marshall, R.S., and Vierstra, R.D. (2018). Autophagy: the master of bulk and selective recycling. Annu Rev Plant Biol 69:173-208.3. Qi, H., Li, J., Xia, F.N., Chen, J.Y., Lei, X., Han, M.Q., Xie, L.J., Zhou, Q.M., and Xiao, S. (2020). Arabidopsis SINAT proteins control autophagy by mediating ubiquitylation and degradation of ATG13. Plant Cell 32:263-284.

4. Su, T., Yang, M.Y., Wang, P.P., Zhao, Y.X., and Ma, C.L. (2020). Interplay between the ubiquitin proteasome system and ubiquitin-mediated autophagy in plants. Cells-Basel 9 (10):2219.

5. Das, P.P., Macharia, M.W., Lin, Q.S., and Wong, S.M. (2019). In planta proximity-dependent biotin identification (BioID) identifies a TMV replication co-chaperone NbSGT1 in the vicinity of 126 kDa replicase. J Proteomics 204:103402.

6. Hsu, C.C., Park, C.H., Kim, T.W., Zhu, J.Y., Hsiao, Y.C., Branon, T., Ting, A.Y., Xu, S.L., and Wang, Z.Y. (2019). Application of TurboID-mediated proximity labeling for mapping a GSK3 kinase signaling network in Arabidopsis. Mol Cell Proteomics 18:S74-S74.

7. Yang, X., Wen, Z., Zhang, D., Li, Z., Li, D., Nagalakshmi, U., Dinesh-K, S., and Zhang, Y. (2021). Proximity labeling: an emerging tool for probing in planta molecular interactions. Plant Commun 2, 100137.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259034622100064X#!