Nature Plants | GUN1介导的叶绿体逆行信号转导机制

高等植物的叶绿体基因组仅编码极少数基因，多数在叶绿体中发挥功能的蛋白是由核基因组编码、翻译后才运输进叶绿体的。叶绿体的发育和基因表达受核基因组调控。但研究也发现，来自叶绿体的信号可以“逆行”调控核基因的表达，这部分受逆行调控的核基因、一般编码要运输进叶绿体工作的蛋白，如光合作用相关蛋白、代谢相关酶类等，这样的调控信号被称为“叶绿体逆行信号”（chloroplast retrograde signal）。逆行信号可以将叶绿体的动态需求反馈给核基因组，对调控叶绿体分化、叶绿体蛋白稳态维持至关重要【1】。

早至1993年，来自Salk Institute for Biological Studies的Joanne Chory课题组即筛选到三个介导叶绿体逆行信号通路的关键基因，并将它们命名为GUN1、GUN2 和GUN3 (GUN, genomes uncoupled) （筛选方法很巧妙：光诱导的核基因CAB3的表达严格依赖于叶绿体；研究者用CAB3启动子驱动抗性基因及GUS报告基因，通过正向遗传学方法，筛选在无叶绿体时（使用除草剂Norflurazon抑制类胡萝卜素合成、从而阻断叶绿体发生、仍表达抗性基因及报告基因的突变体，即为存在逆行信号通路缺陷的突变体）【2】。其中，GUN1（GENOMES UNCOUPLED1）编码一个定位于质体/叶绿体的PPR蛋白（pentatricopeptide repeat protein）【3】，有趣的是，虽然PPR蛋白一般通过结合特定RNA序列调控蛋白表达，GUN1却被发现更可能参与蛋白-蛋白互作，调控叶绿体蛋白稳态【4】。

德国马普分子植物生理所所长、德国科学院院士Ralph Bock教授课题组2018年报道了GUN1仅在发育初期的叶片中少量积累（在其他时期被快速降解），调控了叶绿体发生（ chloroplast biogenesis，在光诱导下，由前质体产生叶绿体）等过程【5】。近年的研究表明，GUN1可能是多条逆行信号通路的中心节点【6】。然而，尽管关于GUN1的研究已有25年之久，我们对GUN1仍是雾里看花。GUN1的作用机制是什么？叶绿体中的逆行信号通过什么信号转导途径传递至核基因组？这些都是亟待解答的关键问题。

2019年5月6日，Ralph Bock教授课题组在Nature Plants期刊上以Control of retrograde signalling by protein import and cytosolic folding stress 为题发表了关于GUN1及逆行信号研究的最新成果： GUN1通过与伴侣蛋白cpHSC70-1互作，调控蛋白向叶绿体的运输；细胞质中前体蛋白过度积累、可在野生型中引发与gun1一致的表型，并能加重gun1表型；细胞质中前体蛋白的过度积累诱导HSP90（heat shock protein 90）伴侣复合体的表达上调、HSP90介导了光合相关核基因的表达。

之前的报道认为，GUN1可能通过三条经典的逆行信号通路（TPB、redox和 PGE（plastid gene expression））调控光合作用相关核基因（photosynthesis-associated nuclear gene，PhANG）的表达【6】。本文研究表明，GUN1可能不直接调控PGE，而是通过与叶绿体伴侣蛋白cpHSC70-1互作，介导叶绿体蛋白输入。与之一致的是，cphsc70-1突变体表现出GUN表型（PhANG转录与叶绿体形成解耦联）。

有趣的是，在正常生长条件下，GUN1突变后并不影响叶绿体蛋白输入能力。只有在叶绿体发生过程中、及逆行信号通路受阻时（处理途径包括遗传手段——敲除叶绿体蛋白输入相关基因如ClpC1，和施加外源逆境——NF或Lin处理），GUN1才发挥其辅助蛋白输入的功能。与之一致的是，之前研究表明，GUN1只在叶绿体发生过程中、及逆行信号通路受阻时积累，在其他条件下，GUN1经由ClpC1被快速降解【5】。（近期有研究发现，ClpC1经由叶绿体内膜上的Clp蛋白酶、调控PQC过程（Plastid quality control）【7】）。在莲座叶中（GUN1不积累），GUN1与ClpC1互作，提示GUN1是Clp的底物，经ClpC1-Clp途径被快速降解。

过表达叶绿体蛋白、使胞质中过量积累前体蛋白可在野生型中诱发GUN表型、在gun1中加重表型，暗示前体蛋白过量积累是GUN1介导的逆行信号通路中的一环。文章发现，HSP90.1和HSP70在gun1clpc1双突中、及用NF或Lin处理的gun1单突中大量积累。HSP90–HSP70伴侣复合体定位于细胞质，被报道介导了诸多信号转导途径。本文研究发现，HSP90在PhANG表达调控中起主导作用，抑制HSP90活性可以抑制gun1表型，HSP90在逆行信号通路中位于GUN1下游（与之前报道HSP90s RNAi突变体中、gun1表型被抑制的结果一致）。

据此，研究者提出了一个GUN1作用机制及逆行信号转导途径的新模型：GUN1是一个低丰度蛋白、参与促进早期叶绿体发育；在成熟叶绿体中，GUN1经由ClpC1被Clp蛋白酶降解；在叶绿体发生过程、及面临基因突变、环境逆境时，GUN1通过与cpHSC70-1互作、增强质体的蛋白输入能力；未及时转运进叶绿体的前体蛋白在细胞质中过度积累，诱导细胞质中HSP90蛋白表达上调、进而维持PhANG表达（HSP90可能通过抑制转录负调控因子（如介导运进蛋白酶体降解）、或激活正调控因子（如辅助蛋白折叠）的方式、来介导逆行信号传递，其靶转录因子可能包括ABI4、HY5和GLK1/2（均位于逆行信号通路中））。

GUN1/GUN5–HSP90逆行信号通路模型

该研究不仅阐明了逆行信号关键调控因子GUN1的作用机制，还发现了GUN1下游、由HSP90介导的信号转导机制，这对我们理解逆行信号转导、及植物调控叶绿体发育和感知并响应叶绿体胁迫的机制具有重要意义。

参考文献：

【1】Nott A, Jung HS, Koussevitzky S, Chory J (2006) Plastid-to-nucleus retrograde signaling. Annu Rev Plant Biol 57:739–759.

【2】Susek, R. E., Ausubel, F. M. & Chory, J. Signal-transduction mutants of Arabidopsis uncouple nuclear CAB and RBCS gene-expression from chloroplast development. Cell 74, 787–799 (1993).

【3】Koussevitzky, S. et al. Signals from chloroplasts converge to regulate nuclear gene expression. Science 316, 715–719 (2007).

【4】Llamas E, Pulido P, Rodriguez-Concepcion M. (2017) Interference with plastome gene expression and Clp protease activity in Arabidopsis triggers a chloroplast unfolded protein response to restore protein homeostasis. PLoS Genet 13: e1007022.

【5】Wu, G. Z. et al. Control of retrograde signaling by rapid turnover of GENOMES UNCOUPLED 1. Plant Physiol. 176, 2472–2495 (2018).

【6】Hernandez-Verdeja, T. & Strand, A. Retrograde signals navigate the path to chloroplast development. Plant Physiol. 176, 967–976 (2018).

【7】Flores-Pérez, U. et al. Functional analysis of the Hsp93/ClpC chaperone at the chloroplast envelope. Plant Physiol. 170, 147–162 (2016).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0415-y