线粒体外膜蛋白TTM1的多重磷酸化是衰老过程中程序性细胞死亡的关键调控环节

]2021年8月19日，The Plant Journal在线发表了加拿大多伦多大学细胞与系统生物学系Wolfgang Moeder和Keiko Yoshioka为共同通讯作者的题为“Multiple phosphorylation events of the mitochondrial membrane protein, TTM1, regulate cell death during senescence”的研究论文。该研究发现在衰老相关的细胞死亡过程中，多个MPKs参与调控线粒体蛋白TTM1的功能和周转，揭示了TTM1蛋白和ABA信号通路之间的分子联系，并为线粒体和程序性细胞死亡之间的关联性提供了新证据。

衰老是一种高度调控的发育性程序性细胞死亡（PCD），对于结束植物生命周期和在不利条件下生存至关重要。除发育因素外，持续黑暗和外源ABA处理等也可触发衰老发生。线粒体作为信号枢纽在衰老过程中发挥重要作用，并在叶绿体被分解的同时为细胞提供能量。然而，目前尚不清楚线粒体参与植物PCD的确切分子机制。该团队前期研究表明，拟南芥三磷酸隧道金属酶（TTM）蛋白TTM1和TTM2是定位于线粒体外膜的尾锚定蛋白，均含有核苷酸激酶（P-loop激酶）/尿苷激酶样结构域（UK）和TTM结构域，它们分别调控衰老和免疫相关性细胞死亡。

之前研究结果显示，ttm1突变体植株在自然和暗诱导条件下表现出衰老延迟现象，说明TTM1正调控衰老。本研究通过对离体叶进行外源激素处理和叶绿素水平检测发现，ABA处理后ttm1叶片的叶绿素降解较对照明显延迟，表明TTM1参与ABA介导的衰老信号通路。

蛋白质组学研究报道，ABA处理后TTM1在S437位点的磷酸化水平增加。与此类似，暗处理同样可使S437位点磷酸化水平增加。在ttm1突变体中分别过表达TTM1和模拟磷酸化形式（S437D）的TTM1均可恢复突变体的衰老延迟表型。相反，过表达磷酸化位点缺失（S437A）的TTM1则不能回补ttm1表型，表明S437位点的磷酸化对于TTM1功能至关重要（图1）。

图1. S437位点磷酸化对于TTM1功能必不可少

根据已有研究成果推测MAP激酶可能作用于ABA或暗处理诱导的S437磷酸化。通过体外激酶实验发现，C组MPK1和 MPK7以及A组MPK6负责磷酸化位于UK结构域之前N末端的S10以及卷曲螺旋结构域前端的S490位点。而MPK3和MPK4可同时磷酸化包括S437在内三个位点。与S437不同的是，S10和S490位点磷酸化负调控TTM1诱导的细胞死亡。荧光观察结合蛋白量化结果表明，这两个位点的磷酸化负责调控26S蛋白酶体对TTM1蛋白的降解。

总之，黑暗（以及其他潜在衰老因素）和ABA触发MAP激酶级联，激活的MPK3和 MPK4磷酸化S437位点，由此可能引起TTM1构象变化并使其处于活化状态。该构象的改变同时也可能促使其他MAP激酶（MPK6、MPK1和MPK7）磷酸化S10和S490。一旦这些位点被磷酸化，TTM1就会作为标记蛋白被26S蛋白酶体识别以进行蛋白周转。

图2. TTM1功能和蛋白周转的调控模型

来源： 植物生物学