华东师大李小方课题组揭示极长链脂肪酸合成关键因子PAS2在内质网稳态中的调控机制

责编 | 王一

近日，华东师范大学生命科学学院李小方教授课题组在JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY在线发表了的题为PASTICCINO2 interacting with Golgi Anti-Apoptotic Proteins resists 2 endoplasmic reticulum stress dependent on very long-chain fatty acids的研究论文。该研究揭示了拟南芥内质网（ER）稳态维持和极长链脂肪酸（VLCFA）合成之间的关键调控关系，即3-羟基辅酶A脱水酶PAS2至少通过与高尔基体抗凋亡蛋白GAAPs互作调节VLCFA的水平，并维持内质网应激下的UPR来抵抗细胞死亡，从而正调控内质网胁迫抗性。这一研究为进一步揭示胁迫应激下脂类与细胞命运决定之间的联系提供了全新的依据。

在ER中维持蛋白质和脂质稳定对于细胞的生存能力和植物在不利条件下的存活至关重要。未折叠蛋白反应（UPR）途径与脂质相互作用，在不同程度的内质网应激下精确触发适应性反应缓解胁迫压力或细胞死亡。然而，人们对植物中脂类与ER应激反应之间的关系还不甚了解。

该研究综合利用反向遗传学、细胞和分子生物学对拟南芥PAS2蛋白及其与GAAPs蛋白互作在内质网应激下的UPR信号通路和脂质合成之间的调控关系进行了功能分析。通过对pas2单突变体、pas2gaaps双突变体进行ER胁迫下的整体敏感性分析发现，突变体的地上和地下部分生长受到显著抑制，细胞活力降低，活性氧积累且细胞死亡严重，GAAPs和/或PAS2基因突变增强了植株对ER胁迫的敏感性。由此可知，拟南芥3-羟基辅酶A脱水酶PAS2及其与GAAPs互作抗ER胁迫及其诱导的细胞死亡。

为分析PAS2在ER胁迫抗性调控中的功能，通过转录组数据分析及qPCR分别检测依赖于UPR受体IRE1的下游靶基因bZIP60(s)、NAC103和SEC31A，依赖于UPR受体bZIP28的UPR下游靶基因PDIL、CRT2和SDF2，以及属于这两种通路的共同靶基因BIP3和CNX1表达发现，在本底和急性ER胁迫（TM≤4 h）下多数靶基因在amiR-PAS2突变体中的上调程度远高于Col-0。这表明PAS2与GAAPs类似，在胁迫激活的UPR保护反应中起负调控作用。而在长期内质网胁迫下，降低PAS2基因表达水平加速适应性UPR活性下调，表明PAS2在维持长期内质网应激下的UPR通路中起正调控作用。IRE1是植物内质网应激的关键传感器，根据应激强度启动细胞保护性UPR或细胞死亡（Nagashima et al.，2011，Liu et al.，2012，Mishiba，et al.，2013）。实验室前期研究发现，GAAPs通过与IRE1结合负调控IRE1-bZIP60通路介导的适应性反应（Guo et al, 2018；Tang et al, 2022），本研究发现PAS2不仅是GAAPs的互作因子，同时与IRE1受体也存在蛋白互作关系， PAS2、GAAPs与IRE1三者可能形成功能复合体调控UPR活性并维持ER稳态。

该研究还发现PAS2与GAAPs突变会加速UPR下调可能与其VLCFA水平降低密切相关。持续内质网胁迫阶段，在细胞水平通过对pas2、pas2gaaps、Crispr-g1234各级突变体监测、定量分析UPR marker基因BIP3实时变化，结合组织水平GC-MS测定VLCFA水平发现，ER胁迫上调BIP3表达和VLCFA水平，GAAPs突变无法上调VLCFA含量并且破坏VLCFA的积累模式，外源回补VLCFA则可以部分回复BIP3表达水平及Crispr-g1234的短根表型。与之相一致的是，点突变结合遗传学结果表明，当PAS2的VLCFA催化结构域位点突变时无法回补pas2突变体的ER胁迫敏感表型，说明VLCFA催化结构域对于PAS2维持ER胁迫抗性不可或缺。综合上述结果可知，维持ER中的VLCFA稳态依赖于GAAPs且对于调控UPR活性至关重要，PAS2及其与GAAPs互作抗ER胁迫并维持ER稳态依赖于VLCFA合成。

综上所述，PAS2作为GAAPs的重要互作因子，通过与GAAPs蛋白互作调节VLCFAs 的水平和促进 UPR 活性，增强植物对ER 胁迫的抵抗力，维持ER稳态。在正常情况下和急性ER胁迫期间，削弱或破坏PAS2的表达会上调UPR靶标的表达，PAS2可能会抑制UPR途径的激活。然而，在持续ER胁迫期间，参与 VLCFAs 合成的 PAS2 产物会受到 ER 胁迫的诱导，PAS2和充足的VLCFAs都是植物维持胁迫抵抗力和促进适应性反应所必需的。PAS2与GAAP互作通过依赖VLCFA的方式调节UPR，抵抗ER胁迫及其诱导的细胞死亡，促使细胞存活，提高植物的胁迫耐受性。

作用模型

华东师范大学生命科学学院李小方教授为本文通讯作者，已毕业博士唐小寒（现为山东农业工程学院林业工程学院青年讲师）和博士研究生周妍为论文共同第一作者，张伟、孙越老师参与了该工作，赵琼研究员和山东农业工程学院束靖教授及王信宏副教授为本研究提供了指导与帮助。该研究得到了国家自然科学基金和北京生命科学技术研究所重点项目基金的资助。近年来，李小方课题组以拟南芥高尔基体抗凋亡蛋白GAAPs家族为研究对象，深入挖掘、分析相关互作因子的功能，围绕内质网胁迫下植物细胞内环境稳态和程序性细胞死亡调控机制进行探究，取得了一系列进展，相关研究成果先后发表在Journal of Experimental Botany (2019, 2022, 2024)、Frontiers in plant science (2018, 2019)等学术期刊上。

参考文献：

Nagashima Y, Mishiba K-i, Suzuki E, Shimada Y, Iwata Y, Koizumi N. 2011. Arabidopsis IRE1 catalyses unconventional splicing of bZIP60 mRNA to produce the active transcription factor. Scientific Reports 1, 29.

Liu JX, Srivastava R, Che P, Howell SH. 2007. An Endoplasmic Reticulum Stress Response in Arabidopsis Is Mediated by Proteolytic Processing and Nuclear Relocation of a Membrane-Associated Transcription Factor, bZIP28.The Plant Cell 19, 4111–4119.

Mishiba, K., Nagashima, Y., Suzuki, E., Hayashi, N., Ogata, Y., Shimada, Y., and Koizumi, N.2013. Defects in IRE1 enhance cell death and fail to degrade mRNAs encoding secretory pathway proteins in the Arabidopsis unfolded protein response. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110, 5713-5718.

Guo K, Wang W, Fan W, Wang Z, Zhu M, Tang X, Wu W, Yang X, Shao X, Sun Y, Zhang W, Li X. 2018. Arabidopsis GAAP1 and GAAP3 Modulate the Unfolded Protein Response and the Onset of Cell Death in Response to ER Stress. Frontiers in Plant Science 9, 348.

Tang XH, Li X, Zhou Y, He YT, Wang ZY, Yang X, Wang W, Guo K, Zhang W, Sun Y, Li HQ, Li XF. 2022. Golgi anti-apoptotic proteins redundantly counteract cell death by inhibiting production of reactive oxygen species under endoplasmic reticulum stress. Journal of Experimental Botany 73, 2601-2617.

https://academic.oup.com/jxb/advance-article-abstract/doi/10.1093/jxb/erae344/7731203