上海师范大学戴绍军团队发表“植物叶绿体逆境应答氧化还原蛋白质组学”的综述文章

植物体内的活性氧分子（ROS）既可以作为信号分子也可以作为氧化剂，在发育与逆境应答过程中起重要作用。尤其是在植物逆境应答过程中，体内大量聚集的ROS对各种细胞成分造成影响，改变其结构和功能。研究ROS信号与稳态对于理解植物逆境应答的分子调控机制具有重要意义。

长期以来，上海师范大学戴绍军教授研究团队，在完善了翻译后修饰（post-translational modifications, PTMs）蛋白质组学研究方法与技术体系的基础上（Yin et al., 2017），通过与分子遗传学策略相结合，解析了植物盐逆境应答过程中的信号与代谢调控网络（Yin et al., 2019; Yu et al., 2018; Zhang et al. 2012; Yu et al., 2011）。

近日，戴绍军教授团队在Antioxidants & Redox Signaling在线发表了题为Plant chloroplast stress response: insights from thiol redox proteomics的综述文章，系统地比较了植物氧化还原蛋白质组学的研究方法，分析了利用氧化还原蛋白质组学策略解析的植物叶绿体逆境应答过程中的重要科学问题。

植物叶绿体是产生ROS的主要细胞器之一。ROS引起蛋白质半胱氨酸残基（Cys）的巯基发生氧化还原修饰（Ox-PTMs），调节蛋白质的结构和功能，从而调控各种信号转导与代谢通路。在叶绿体中，蛋白质巯基氧化还原调节系统包括铁氧还蛋白/硫氧还蛋白（ferredoxin/thioredoxin, Fd/Trx）系统、NADPH/NADPH硫氧还蛋白还原酶C（NADPH/NADPH thioredoxin reductase C, NTRC）系统、谷胱甘肽/谷氧还蛋白（glutathione/glutaredoxin, GSH/Grx）系统（图1）。这些系统协同作用调控蛋白质的Ox-PTMs水平，维持叶绿体中的巯基氧化还原稳态。

图1. 叶绿体光合电子传递链相关的氧化还原调控网络

近年来，研究人员陆续研发了多种可高通量分析硫醇Ox-PTMs的蛋白质组学方法（图2），其中部分方法已经应用于叶绿体功能研究，使人们从系统生物学的角度，在蛋白质翻译后修饰水平对叶绿体中氧化还原调节机制有了进一步的认识。在叶绿体中，硫氧还蛋白调节的抗氧化酶活性有助于维持细胞ROS稳态。光暗依赖的氧化还原动态调节光合电子传递、卡尔文循环和淀粉生物合成等生物学过程，从而确保叶绿体中各种代谢过程的协同进行和能量的有效利用（图3）。氧化还原级联变化将光与氮同化、硫同化、莽草酸途径，以及脂肪酸、激素、嘌呤、嘧啶和硫胺素等生物合成过程中的各种中间代谢物的动态联系起来。氧化还原可以调节四吡咯化合物和叶绿素生物合成途径，对于维持四吡咯中间代谢物的稳态、防止氧化损伤至关重要。此外，多种延伸因子、伴侣蛋白和激酶的氧化还原变化在调节基因表达、蛋白质构象与翻译后修饰中起重要作用，这有助于光系统II修复、状态转换和叶绿体信号转导等重要生物学过程（图4）。

图2. Cys Ox-PTM 蛋白质组学研究的技术体系

图3. 叶绿体电子传递链、ROS清除和卡尔文循环中的蛋白质氧化还原调控

图4. 叶绿体代谢网络中的蛋白质氧化还原调控

然而，多数氧化还原敏感蛋白质是在模式植物拟南芥中被鉴定的。因此，将氧化还原调节网络的知识转化到作物研究将是未来研究的一项重要任务。目前，引发特定Cys Ox-PTMs的氧化剂类型尚不清楚，植物如何感知不同氧化剂（如ROS）引发Ox-PTMs，以及如何激活抗氧化系统等方面也值得进一步研究。

目前的氧化还原蛋白质组学研究方法仍然存在一定局限性。基于凝胶和基于亚磺酰化标记的氧化还原蛋白质组学方法无法定量蛋白质还原Cys/氧化Cys的比值。尽管基于LC-MS/MS的非凝胶氧化还原蛋白质组学方法可以定量Cys位点，但它们无法区分被还原和发生不可逆氧化的Cys。因此，进一步研发可分步还原并且差异标记被还原的巯基，以及标记不可逆氧化Cys（例如-SO2H和-SO3H）的氧化还原蛋白质组学方法，将增强氧化还原蛋白质组学研究的深度和覆盖范围。同时，研发针对Cys氧化还原状态和多重标记的新的体内精准探针，以及针对不同种类PTMs（如：磷酸化，酰化和泛素化）的富集策略，这将有助于检测Cys Ox-PTMs的化学计量水平，从而更加深入地认识叶绿体中多种PTMs之间的耦合机制。

重要的是，利用蛋白质组学技术鉴定到的Trx、Grx和NTRC的靶蛋白，还需要通过生化和分子遗传学手段进行验证。这3个氧化还原调节系统间的协同作用机制也亟待进一步研究。同时，通过新型NADPH、抗坏血酸、Trx、Grx和RMS的基因编码探针（genetically-encoded sensor）确定其亚细胞定位与氧化还原状态，将有利于全面解析叶绿体氧化还原稳态。同时，反向遗传学研究对于解析叶绿体蛋白质氧化还原Cys位点的功能十分重要。对特定氧化还原蛋白质（Cys位点）的过表达和功能缺失突变体的表型与生化分析，将有助于更加精确地理解其生物学功能。此外，解析蛋白质晶体结构也将有助于阐明叶绿体蛋白质的Cys氧化还原位点、互作方式，以及氧化还原稳态的调控网络。研究氧化还原蛋白质（保守或者可变的Cys位点）在质体/叶绿体发育过程中，及其从蓝细菌、硅藻、绿藻到陆生植物的进化过程中的作用，将是未来研究的一个重要方向。

上海师范大学戴绍军教授为该文章的通讯作者，东北林业大学毕业研究生喻娟娟博士（现工作单位为河南师范大学）为第一作者，美国佛罗里达大学陈思学教授为共同通讯作者。东北林业大学李莹博士、上海师范大学秦智教授、河南师范大学李用芳教授、河南大学宋纯鹏教授、苗雨晨教授、郭思义副教授为共同作者。

参考文献

1. Heng Zhang, Bing Han, Tai Wang, Sixue Chen, Haiying Li, Yuhong Zhang, Shaojun Dai. Mechanisms of plant salt response: insights from proteomics.Journal of Proteome Research, 2012,11(1): 49-67

2. Juanjuan Yu, Sixue Chen, Qi Zhao, Tai Wang, Xiufeng Yan, Chuanping Yang, Carolyn Diaz, Guorong Sun, Shaojun Dai. Physiological and proteomic analysis of salinity tolerance in Puccinellia tenuiflora.Journal of Proteome Research, 2011,10: 3852-3870

3. Juanjuan Yu, Yongxue Zhang, Junming Liu, Lin Wang, Panpan Liu, Zepeng Yin, Siyi Guo, Jun Ma, Zhuang Lu, Tai Wang, Yimin She, Yuchen Miao, Ling Ma, Sixue Chen, Ying Li, Shaojun Dai. Proteomic discovery of H2O2 response in roots and functional characterization of PutGLP gene from alkaligrass.Planta, 2018, 248:1079-1099

4. Zepeng Yin, Heng Zhang, Qi Zhao,·Mi-Jeong Yoo,·Ning Zhu,·Jianlan Yu,·Juanjuan Yu,·Siyi Guo,·Yuchen Miao,·Sixue Chen,·Zhi Qin,·Shaojun Dai. Physiological and comparative proteomic analyses of saline-alkali NaHCO3-responses in leaves of halophyte Puccinellia tenuiflora.Plant and Soil, 2019, 437:137-158.

5. Zepeng Yin, Kelly Balmant, Sisi Geng, Ning Zhu, Tong Zhang, Craig Dufresne, Shaojun Dai, Sixue Chen. Bicarbonate induced redox proteome changes in Arabidopsis suspension cells.Frontiers in Plant Science. 2017, 8:58.

综述全文链接：

https://www.liebertpub.com/doi/pdf/10.1089/ars.2019.7823