Plant Cell : 钙依赖蛋白激酶通过转录因子ORE1调控细胞死亡的机制

来源：BioArt植物

CDPKs（calcium-dependent protein kinases）是植物细胞内信号转导的关键组成部分，它可以作为钙离子（Ca2+）受体介导植物对环境变化的快速应激。当植物感受到环境变化时，胞质Ca2+浓度迅速增加，CDPKs（拟南芥中称为CPKs）感受到这种钙离子变化后会磷酸化特定靶蛋白，从而激活下游基因的表达【1】。之前在拟南芥中的研究表明，CPKs可以参与干旱胁迫下的气孔开闭、flg22诱导的转录重编程以及通过转录因子的磷酸化介导ABA和防御信号等【2】。但是目前尚不清楚CDPKs在应激相关信号传导之外的生物发育中的功能。

作为植物发育过程中的关键环节，植物衰老也受到转录调控。研究表明，NAC转录因子ORE1（ORESARA1/ANAC092）是发育中叶片衰老的主要调控因子，它控制着养分再活化和叶绿素降解所需的衰老相关基因调控网络【3】。最近也有研究表明，ORE1还可以参与调控拟南芥柱头细胞程序性细胞死亡相关基因的表达【4】。此外，ORE1自身的表达受到包括miR164、乙烯信号的关键调节因子EIN3和泛素化等在内的多个复杂网络的调控【5】。但是目前关于CDPKs是否参与细胞衰老的调控及其具体的生物学过程尚不清楚。

近日，德国Freie Universität Berlin的Tina Romeis研究组在The Plant Cell在线发表了一篇题为 Calcium-Dependent Protein Kinase CPK1 Controls Cell Death by In Vivo Phosphorylation of Senescence Master Regulator ORE1 的研究论文，在拟南芥中揭示了CPK1通过转录因子ORE1的直接磷酸化调节衰老相关细胞死亡的生物学过程。

该研究通过可诱导的CPK1-VK（the variable N-terminal domain and the adjacent protein kinase domain）并结合体内磷酸化蛋白组学（phosphoproteomics）分析，鉴定出一个可以在体内被CPK1瞬时磷酸化的ORE1。CPK1的磷酸化发生在ORE1的C末端转录调节域的一个内部无序区域（intrinsically disordered region），并且该区域ORE1依赖性靶基因激活所必需的。该研究还表明，CPK1不仅可以导致ORE1磷酸化，还会引起ORE1基因的表达和ORE1靶基因BFN1的启动子激活。该研究发现，ORE1对CPK1-VK诱导的细胞死亡是必须的。过表达ORE1可以促进早衰（叶绿素降解以及衰老相关基因的表达），但是当ORE1的磷酸化位点缺失（ORE1D17）则不会出现早衰或者叶绿素的改变。这表明CPK1在体内磷酸化激活ORE1并通过转录重编程加快衰老进程。

CPK1通过ORE1调控细胞死亡的模型

总之，该研究表明ORE1是叶片衰老的关键调节因子，并且可以通过CPK1的磷酸化进行翻译后修饰增强其活性，进而激活衰老相关的靶基因。该研究还表明，CPK1的可逆钙依赖信号网络和ORE1的不可逆基因调控网络之间的连接共同转录调控衰老相关的细胞死亡。