乙烯合成关键酶ACS双酶活性的生物学功能与分子演化研究

批准号：

32070317

项目类别：

面上项目

资助金额：

58.0 万元

负责人：

王宁宁

依托单位：

南开大学

学科分类：

植物激素与生长调节物质

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

王宁宁

关键词：

乙烯 ACC合酶 C-S裂解酶生物合成双功能酶

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

植物从水生到陆生的演化过程中历经巨大而又极其复杂的环境变化，植物激素乙烯的出现在不断变化的环境与植物的发育适应性之间发挥着重要的桥梁作用，但人们对乙烯合成路径的演化历程所知甚少。ACC合酶（ACS）是种子植物乙烯合成路径关键酶，与氨基转移酶和C-S裂解酶同属一个蛋白超家族。传统观念认为ACS基因起源于氨基转移酶基因，但我们近期在拟南芥和大豆中发现了具有C-S裂解酶活性的双功能ACS。在对双功能ACS蛋白晶体的结构解析与结构域鉴定基础上，对小立碗藓C-S裂解酶进行N端替换，使其获得了ACS活性。这些结果强烈暗示种子植物的ACS可能起源于C-S裂解酶，而双功能ACS能催化胱氨酸生成丙酮酸，可能参与细胞内多种重要代谢路径调控。这些原始创新性发现，对乙烯合成的起源和ACS功能等传统观念造成冲击。项目申请利用多学科交叉手段解析ACS双酶活性的生物学功能及分子演化历程，将为相关领域研究带来重要突破。

英文摘要

During the evolution from aquatic algae to terrestrial gymnosperms and agiosperms, plants underwent tremendous and extremely complex environmental changes. The emergence of plant hormone ethylene acts as an important bridge between the changing environment and plant developmental adaptation. However, little is known about the detailed evolutionary process of ethylene biosynthesis pathways. The key rate-limiting enzyme in the ethylene biosynthesis pathway of seed plants is ACC synthase (ACS). It is generally believed that all plant ACSs originated from plant-ACS-like genes which were derived from aspartate aminotransferases (AATase) genes. Nevertheless, we recently found that some ACS family members of angiospermous Arabidopsis and soybean possess both ACS and C-S lyase dual enzyme activities. To address the biochemical basis of their difference in biochemical functions, we analyzed the crystal structure of an ACS protein with dual enzyme activities and determined its key motifs. Furthermore, we demonstrated that PpACL1, the ACS-like protein from early diverging bryophyte Physcomitrella patens, gained ACS activity when its N-terminal domain was swapped with that of the ACS with both ACS and C-S activities. Based on these key results we hypothesize that ACSs in seed plants originate from C-S lyase, not aspartate aminotransferases. This project aims to provide in-depth analysis towards the origin of the ACC-dependent ethylene biosynthesis pathway and functions of the ACS proteins with dual enzyme activities, using interdisciplinary approaches such as biochemistry and molecular biology, structural biology and bioinformatics, leading to important breakthroughs in this research field.

植物从水生到陆生的演化过程中历经巨大而又极其复杂的环境变化，植物激素乙烯的出现在不断变化的环境与植物的发育适应性之间架起了重要的桥梁，但人们对乙烯合成路径的演化历程所知甚少。ACC合酶（ACS）是乙烯合成路径关键酶，与氨基转移酶和C-S裂解酶同属一个蛋白超家族。传统观念认为ACS基因起源于氨基转移酶，但我们前期发现拟南芥AtACS7也具有C-S裂解酶（CSL）活性。本项目综合利用生物化学与分子生物学、结构生物学和生物信息学等多种技术手段，就ACS双酶活性的生物学功能与分子演化机制开展研究工作。完成了对不同系统发育地位代表性植物四十多个ACS-like基因的克隆与体外ACS、CSL或氨基转移酶活性测定，发现ACS活性为种子植物的ACS-like蛋白所特有，且所有真正的ACS蛋白都具有ACS和CSL双酶活性。进一步利用结构生物学方法，对AtACS7蛋白及其关键结构域互换单酶嵌合体如R6等进行晶体结构分析和关键位点与结构域功能验证，据此建立了真ACS酶（genuine ACS）的结构模型、提出了其双酶活性的催化机制、明确了两个独特的N端保守域及Q98位点的获得是ACS分子演化路径中的关键事件。在此基础上，深入开展了ACS-CSL双酶在植物叶片衰老、生殖生长和逆境抗性等过程中的功能研究，发现通过调控第三类ACS基因来扰动內源乙烯与硫化氢平衡，能显著提高植物对多种逆境的抗性；揭示了双酶活中的ACS活性在叶片衰老调控中发挥重要功能；分离鉴定了特异性靶向AtACS7的E3连接酶RIE1，揭示了RIE1通过泛素化促进AtACS7降解而抑制衰老过程中的乙烯合成、维持叶片寿命的分子机制。上述研究成果在主流学术期刊Sci Adv、PNAS、New Phytol、Plant Cell Environ等发表基金标注论文7篇；获授权发明专利2项；多次在学术交流活动中报告工作；培养硕博研究生毕业6人。