与玉米籽粒发育相关的线粒体PPR蛋白EMP603参与内含子剪接的作用机制

植物生物学  |   2021-07-21 08:25

2021年7月19日,Journal of Experimental Botany在线发表了中国农业科学院作物科学研究所刘允军研究组题为“The pentatricopeptide repeat protein EMP603 is required for the splicing of mitochondrial Nad1 intron 2 and seed development in maize”的研究论文,王国英教授和瑞典隆德大学生物系Allan G Rasmusson教授为共同通讯作者。该研究发现线粒体定位的P型三角状五肽重复(PPR)蛋白EMP603与剪接因子ODB1-0814、ODB1-5061、PMH2-5140和Zm-mCSF1互作,对于Nad1内含子2剪接以及玉米胚和胚乳发育至关重要。

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内含子剪接是植物线粒体中转录后RNA加工的一个重要过程,需多种细胞核编码剪接因子的参与,包括PPR蛋白、成熟酶(nMATs)、DEAD-box RNA解旋酶、叶绿体RNA剪接和核糖体成熟(CRM)蛋白、RAD52-like等蛋白。然而,目前尚不清楚这些蛋白质是如何协同参与特定内含子剪接的。

PPR蛋白是植物中最大的蛋白家族之一,属于典型的细胞器序列特异性RNA结合蛋白。定位于线粒体中的P型PPR蛋白通常在一个或几个内含子的剪接中发挥作用。多数PPR剪接因子的功能缺陷会干扰线粒体复合物的组装和活性,导致植株生长迟缓或种子发育缺陷。

本研究为探索玉米籽粒发育的关键步骤,从UniformMu插入突变体库中获得了空果皮表型的emp603-1突变体。授粉后15天的emp603-1籽粒大小显著小于WT,并呈半透明状,胚和胚乳明显发育迟缓。经观察分析表明,emp603-1的空果皮表型可能是由基部胚乳传递层(BETL)细胞发育缺陷引起的(图1)。

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1. emp603-1突变体的胚和胚乳发育缺陷表型

生物信息学分析表明,根据标准标准,EMP归属于含8个推定PPR基序的P亚家族PPR蛋白。EMP603蛋白N端具有线粒体靶向信号,定位于线粒体。对WT和emp603-1籽粒中的线粒体基因转录本进行RT-PCR分析发现,线粒体NADH脱氢酶亚基1编码基因(Nad1)的转录本明显大于WT,表明emp603-1突变体的Nad1内含子剪接发生缺陷。特异性扩增分析表明,EMP603对于Nad1内含子2的顺式剪接必不可少。NAD1是线粒体复合物I的核心亚基,emp603-1突变体中Nad1内含子2剪接缺陷导致Nad1转录异常,进而影响线粒体复合体I积累和NADH脱氢酶活性。进一步分析发现,EMP603功能缺陷触发了交替氧化呼吸途径的显著积累,表明线粒体代谢和信号转动受到干扰。

验证结果显示,EMP603与线粒体定位的剪接因子RAD52-like蛋白ODB1-0814和ODB1-5061、DEAD-box RNA解旋酶PMH2-5140以及CRM结构域包含蛋白ZmmCSF1互作。基于酵母双杂的互作片段分析表明,EMP603的N末端区域与PMH2-5140的DEAD-box、Zm-mCSF1的CRM结构域以及OBD1-5061存在互作,但并不与OBD1-0814互作;而EMP603的PPR结构域可与ODB1-0814、ODB1-5061和PMH2-5140互作,但不与Zm-mCSF1互作。

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图2. EMP603的工作模型

综上表明,EMP603的N端和PPR域分别与ODB1-5061、PMH2-5140、Zm-mCSF1和ODB1-0814互作,形成动态剪接体样复合物,参与Nad1内含子2的剪接。此外,PPR-SMR1也可通过与Zm-mCSF1互作来参与剪接,而EMP11对于Nad1内含子2的剪接也是必不可少的,但目前尚不清楚它与其他剪接因子是否存在互作(图2)。总之,该研究为植物线粒体中的内含子剪接机制提供了新见解。

原文链接:

https://academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/erab339/6323943?redirectedFrom=fulltext

来源: 植物生物学

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