PNAS | 完善BR信号转导调控分子机制！汤文强课题组揭示BR调节BZR1核质穿梭和蛋白稳定性的新机制

责编 | 奕梵

油菜素甾醇 ( Brassinosteroids, BRs) 是一种重要的植物激素，参与调节植物的生长、发育以及胁迫响应等多个生物学过程。经过多年的研究，BR信号传导的分子机制得到了较清楚的解析：BR被质膜上受体BRI1感知后通过激活下游BZR1家族转录因子的转录活性来调节下游基因的表达。当BR信号途径未被激活时，BZR1被磷酸化，定位在细胞质中；当BR信号途径被激活的时候，BZR1被蛋白磷酸酶PP2A去磷酸化，在细胞核中积累，结合到BR响应元件上，调控下游基因的表达。因此，BZR1的磷酸化和去磷酸化，以及核质定位的调节是BR信号转导的核心事件。对于这两个过程，仍然有许多重要的科学问题没有得到很好的回答。例如：一般认为，在没有BR的时候，细胞质中的BZR1会被26S蛋白酶体途径降解。那么，BR处理后在细胞核中积累的BZR1是重新合成的还是细胞质原有的？BR处理后BZR1从胞质定位变成核定位，同时被去磷酸化，那么BZR1是先进核再被去磷酸化，还是先被去磷酸化再进核？

河北师范大学汤文强教授课题组的最新研究成果很好地回答了上述科学问题，揭示了油菜素内酯调节 BZR1 核质穿梭和蛋白稳定性的新机制。相关成果于近日以Nucleocytoplasmic Trafficking and Turnover Mechanisms of BRASSINAZOLE RESISTANT1 in Arabidopsis thaliana为题发表在国际著名学术期刊PNAS上。

该研究利用具有不同亚细胞定位特性的BZR1突变蛋白发现：

（1）组成性定位在细胞核中的BZR1在没有BR的时候处于磷酸化状态，BR处理30分钟能让其完全去磷酸化，说明BZR1的去磷酸化过程发生在细胞核中；

（2）组成性定位在细胞质中的BZR1在没有BR的时候处于非磷酸化状态，说明BZR1的磷酸化可能也发生在细胞核中；

（3）不能和PP2A结合的BZR1在没有BR的时候定位在细胞质中，处于磷酸化状态，BR处理30分钟后在细胞核中积累，仍然处于磷酸化状态，说明BZR1的进核不依赖于PP2A将BZR1的去磷酸化，暗示BR信号首先诱导磷酸化的BZR1入核，然后磷酸化的BZR1在细胞核中被PP2A去磷酸化（图1）。

图1. BZR1的磷酸化和去磷酸化发生在细胞核中

该研究还利用了kaede荧光蛋白标签来回答BR是否能够招募胞质中的BZR1入核，以及BZR1的降解是否受BR调节等科学问题。Kaede是一种可转换荧光蛋白，正常条件下在488 nm激发光下发出绿色荧光 (Kaedegreen)。紫外光 (390-405 nm) 的照射会导致Kaede蛋白发生不可逆的裂解，裂解后的Kaede蛋白的激发光转变为543 nm，发射光由绿色转变为红色 (Kaedered)。因此利用 Kaede标签可以有效区分 UV 处理后新合成的 BZR1-Kaedegreen 蛋白和原有的 BZR1-Kaedered 蛋白 (红色)。通过观察BR处理30分钟后BZR1-Kaedered和BZR1-Kaedegreen的亚细胞定位发现，BZR1-Kaedered和BZR1-Kaedegreen都可以从细胞质中转移到细胞核中，说明BR的确可以招募细胞质中原有的BZR1进入细胞核中（图2）。

图2. BR可将胞质BZR1募集回细胞核

此外，通过对BR处理前后BZR1-Kaedegreen和BZR1-Kaedered荧光信号的观察，该研究还发现植物体内至少存在两条BZR1降解途径：一条是不依赖于BR和26S蛋白酶体的组成性BZR1降解途径；另一条是受BR 激活的26S蛋白酶体降解途径（图3）。除此之外，该研究还意外发现，MG132处理可以诱导BZR1进核，暗示BZR1的进出核可能也受26S蛋白酶体调节。

图3. BZR1蛋白降解受到BR信号的促进

在细胞信号转导过程中，有两个屏障需要克服：一个是将细胞内部和外界环境分开的细胞质膜；另一个是将细胞遗传物质与胞质组分分开的细胞核膜。目前关于信号如何在细胞膜上被接收并转导到细胞内的分子机制的研究很多，而关于信号怎么跨越细胞核膜屏障的相关研究较少。该研究刷新了我们对 BR 调节 BZR1 核质穿梭和蛋白稳定性的分子机理的认识，进一步完善了BR 信号转导调控的分子机制（图4），研究成果也为其他植物信号蛋白的核质转运研究提供了范例，具有重要的理论意义和学术价值。

图4. BR 调节 BZR1 磷酸化/去磷酸化和核质穿梭新机制模式图

值得一提的是，该研究是汤文强课题组继发现 PP2A将 BZR1去磷酸化激活BR信号(Nature Cell Biology, 2011)、只有细胞核中定位的PP2A才能将BZR1去磷酸化 (Molecular Plant, 2016)之后，针对BZR1活性调节系列工作发表的第三篇高水平研究论文。

河北师范大学生命科学学院王瑞菊副教授、硕士生王瑞璇、刘朦朦博士为共同第一作者，汤文强教授为通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金、河北省自然科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2101838118