Cell Reports | 植物TOR 信号传导的一个关键负反馈调节因子：FLZ8

撰文 | SHR

责编 | 王一

雷帕霉素靶蛋白(TOR)激酶是真核生物中保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，并在真核生物营养依赖性生长及代谢中发挥关键调控作用【1】。在植物中的研究表明，TOR是整合光和糖信号的关键因子，尤其对黑暗条件下的糖依赖性下胚轴伸长至关重要；然而，TOR的过度激活也会导致植物发育异常，这表明维持最佳的 TOR 信号对植物正常生长发育至关重要【2,3】。在动物中的研究结果显示，TORC1会通过激活 AMP 活化蛋白激酶 (AMPK，植物中同源基因为SnRK1)，并通过磷酸化 RAPTOR以抑制TOR表达【4】，但是目前尚未在植物中报道相似的负反馈调节机制。

近日，来自印度National Institute of Plant Genome Research的研究人员在Cell Reports在线发表了题为A negative feedback loop of TOR signaling balances growth and stress-response trade-offs in plants的研究论文，该研究采用跨学科方法在拟南芥中鉴定了TOR 信号传导的关键调节因子FLZ8，并揭示了其介导TOR信号稳态和植物环境适应性的负反馈调节机制。

该研究首先基于数学建模方法预测了不同环境条件下TOR负反馈回路的重要性，结果发现，在营养充足条件下TOR 激活的负反馈回路会逐渐抑制TOR 活性和植物生长；此外，这种负反馈回路还有助于应激信号的激活和植物适应性。在此基础上，研究人员开展了数据驱动的筛选方法，通过构建拟南芥TOR信号网络识别TOR 信号传导的潜在负反馈调节因子，鉴定到一个与营养信号有关的陆地植物特异性 FLZ 家族的成员FLZ8。

之前的研究表明，FLZ8与SnRK1-α和-β亚基及TOR 的RAPTOR1B 亚基具有物理相互作用，暗示FLZ8通过调节SnRK1-TOR相互作用来调节植物TOR活性【5】。该研究发现，TOR信号传导与FLZ8的表达呈正相关；此外，通过研究TOR在Glc 依赖性FLZ8表达中的作用，研究人员发现Glc 处理导致FLZ8上游调节区域中 H3KAc 和 H3K4me3 的富集，而通过estradiol抑制TOR降低了Glc 依赖性的H3KAc富集，但是对H3K4me3富集无影响。同时，hac1 突变体中Glc诱导的FLZ8及其启动子中H3KAc的表达受抑制。上述研究表明，FLZ8启动子区域的TOR 依赖性 H3KAc 和 TOR 非依赖性 H3K4me3在糖和能量充足条件下介导FLZ8表达。该研究还表明，FLZ8的缺失会导致TOR过度激活，并导致分生组织过度活化以及生长促进等表型，再次表明FLZ8与TOR之间的密切关联。此外，研究人员发现FLZ8 转录水平与糖营养而非其他营养元素密切相关，并且FLZ8在糖饥饿条件下的下调与SnRK1 信号的变化密切相关。有趣的是，flz8突变体中SnRK1a1的转录水平未受到影响，但是内源SnRK1a1水平、Thr-175 磷酸化 SnRK1a1 水平及SnRK1活性显著降低，表明FLZ8通过调节SnRK1a1水平正调节SnRK1信号传导。

在上述研究基础上，该研究进一步揭示了FLZ8 介导的 TOR 负调控机制及SnRK1在其中的作用。通过体内及体外的蛋白相互作用分析，研究人员发现FLZ8与SnRK1a1及RAPTOR1B均存在相互作用，并且作用位点对TORC1 活性至关重要。亚细胞定位结果则显示FLZ8 与细胞质和核周内质网中的 SnRK1a1 和 RAPTOR1B 相互作用。进一步通过酵母三杂交和荧光素酶互补成像，该研究发现FLZ8可以作为支架蛋白或通过提高SnRK1a1水平直接或间接的促进SnRK1a1 和 RAPTOR1B 结合，从而调节TOR活性。该研究还开发了一个动态网络模型，发现在能量充足条件下FLZ8 介导的负反馈回路会调节 TOR 信号传导并强SnRK1 信号。模型模拟及试验分析结果一致表明，FLZ8是通过平衡TOR-SnRK1 信号传导从而介导糖依赖性生长的关键因子。最后，研究人员还结合动态网络模型及试验研究，证明了FLZ8介导的TOR负反馈调节通路对应激条件下的SnRK1和 ABA信号激活和植物生存至关重要。

综上所述，该研究鉴定了植物中TOR 信号传导的关键负反馈调节因子FLZ8，并揭示了其通过介导SnRK1a1-RAPTOR1B 相互作用负调控TOR信号传导的机制。该研究还阐明了该负反馈回路在正常及应激条件下维持植物生长发育的重要性。

参考文献

【1】Gonza´ lez, A., and Hall, M.N. (2017). Nutrient sensing and TOR signaling in yeast and mammals. EMBO J. 36, 397–408

【2】Zhang, Z., Zhu, J.-Y., Roh, J., Marchive, C., Kim, S.-K., Meyer, C., Sun, Y., Wang, W., and Wang, Z.-Y. (2016). TOR signaling promotes accumulation of BZR1 to balance growth with carbon availability in Arabidopsis. Curr. Biol. 26, 1854–1860

【3】Ren, M., Qiu, S., Venglat, P., Xiang, D., Feng, L., Selvaraj, G., and Datla, R. (2011). Target of rapamycin regulates development and ribosomal RNA expression through kinase domain in Arabidopsis. Plant Physiol. 155, 1367–1382

【4】Jin, G., Lee, S.W., Zhang, X., Cai, Z., Gao, Y., Chou, P.C., Rezaeian, A.H., Han, F., Wang, C.Y., Yao, J.C., et al. (2015). Skp2-Mediated Raga ubiquitination elicits a negative feedback to prevent amino-acid-dependent mTORC1 hyperactivation by recruiting GATOR1. Mol. Cell 58, 989–1000.

【5】Jamsheer, K.M., Shukla, B.N., Jindal, S., Gopan, N., Mannully, C.T., and Laxmi, A. (2018b). The FCS-like zinc finger scaffold of the kinase SnRK1 is formed by the coordinated actions of the FLZ domain and intrinsically disordered regions. J. Biol. Chem. 293, 13134–13150.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110631