Cell Reports—薛红卫团队揭示生长素调控蛋白酶体活性及生长素响应的分子机制

生长素是调控植物发育和环境适应过程的关键信号分子之一，参与调节植物生长的多个方面。其信号应答的核心特征在于转录水平的调控，即细胞将感知到的生长素浓度变化转化为大量基因表达的变化。这一调控过程主要依赖于两条核心通路：

1. TIR1/AFBs通路： 核内生长素受体TIR1/AFBs作为泛素连接酶复合物的组分，在结合生长素后，介导转录抑制因子Aux/IAA蛋白的泛素化，并使其通过26S蛋白酶体降解。Aux/IAA的降解释放了其对生长素响应因子（ARFs）的抑制，从而激活下游生长素响应基因的表达。

2. TMK1通路： 质膜定位的跨膜激酶TMK1感知生长素信号后，其胞内结构域被切割并转运入核。在细胞核内，TMK1磷酸化并稳定非典型的Aux/IAA蛋白（如IAA32和IAA34），进而抑制ARF的活性。

Aux/IAA蛋白的快速降解高度依赖于泛素-26S蛋白酶体系统（UPS），这凸显了蛋白酶体活性调控在生长素信号转导中的核心作用。然而，目前植物中关于蛋白酶体活性调控机制的研究相对较少。上海交通大学/华南农业大学薛红卫教授团队前期研究首次鉴定到植物中的一个蛋白酶体调节因子PTRE1 (PROTEASOME REGULATOR 1)，并证明PTRE1参与了生长素对蛋白酶体活性的抑制过程 (Yang et al., Nature Communications, 2016)。但生长素如何通过调节PTRE1的功能来精确调控生长素信号应答，其分子机制尚不清楚。

近日，薛红卫教授团队在Cell Reports在线发表了题为“Germin-like protein 1 interacts with proteasome regulator 1 to regulate auxin signaling by controlling Aux/IAA homeostasis”的研究论文，揭示了生长素通过GLP1介导PTRE1在膜上积累，实现对蛋白酶体活性的抑制，从而调控和协调Aux/IAA蛋白内稳态，实现生长素信号的精确调控。

为了研究生长素通过PTRE1抑制蛋白酶体活性的分子机制，该研究首先通过酵母双杂交（Y2H）对 PTRE1 的互作蛋白进行了筛选，得到一个与生长素相关的蛋白 GLP1（Germin-like protein 1），进一步的研究发现生长素促进二者互作，且GLP1能够结合生长素。生理实验发现，在glp1突变体中，生长素无法抑制蛋白酶体活性，导致Aux/IAA蛋白（如IAA17）降解增加。而GLP1过表达则显著减缓IAA17的降解，说明GLP1通过调节蛋白酶体活性影响Aux/IAA蛋白的稳定性。表型观察发现（根伸长抑制及下胚轴伸长反应），glp1对生长素的敏感性降低，glp1中生长素诱导的响应基因的表达也显著受到抑制，表明GLP1参与了生长素信号响应的转录调控。

与PTRE1促进蛋白酶体活性相反，GLP1抑制蛋白酶体活性，ptre1 glp1双突变体在蛋白酶体活性上表现出两者调控作用的中和效应。但有意思的是，双突变体在根伸长抑制表型上为加成效应，而在高温诱导的下胚轴伸长上为“恢复效应”，表明了GLP1与PTRE1之间复杂的相互作用，也提示在蛋白酶体调控下游存在组织特异性或通路特异性的差异。

生长素诱导GLP1蛋白在质膜上的积累， 分析PTRE1在质膜与细胞核之间的分布发现，glp1中PTRE1在质膜的积累减少、在细胞核中的分布增加；GLP1过表达下PTRE1在质膜积累增强，核内分布减少。与此相一致的是，PTRE1过表达情况下，GLP1缺失可减少生长素对蛋白酶体活性的抑制，GLP1过表达则进一步增强抑制作用，减少Aux/IAA蛋白的降解；PTRE1过表达植株中，GLP1过表达（PTRE1ox/GLP1ox）抑制，而GLP1缺失（PTRE1ox/glp1）增强了对生长素的敏感性。这些结果表明，GLP1通过负调控PTRE1功能进一步调节26S蛋白酶体活性和Aux/IAA蛋白的降解，从而精细调控Aux/IAA蛋白的稳态和生长素响应。

综上所述，该研究提出了一个工作模型：生长素除了通过TIR1及TMK1介导的途径调控Aux/IAA蛋白稳定性及生长素响应基因的表达，还通过GLP1-PTRE1调控模块来调节26S蛋白酶体活性进而调控Aux/IAA蛋白稳态及生长素响应。具体而言，生长素促进GLP1在质膜（PM）上的积累，并增强其与PTRE1的相互作用，使PTRE1被保留在质膜上。空间分布的改变影响了PTRE1在细胞核中的功能，导致核内26S蛋白酶体活性降低从而减缓Aux/IAA蛋白降解，最终在转录水平上对生长素信号实现精细调控。该研究首次揭示了生长素调控蛋白酶体活性的分子机制，从蛋白稳态调控层次对理解生长素作用机制提供了新的角度，补充了现有生长素信号调控网络。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士生徐法青为论文第一作者 (现为该中心博士后)，上海交通大学农业与生物学院/广东省高等学校未来作物精准育种基础研究卓越中心、岭南现代农业科学与技术广东省实验室、华南农业大学农学院薛红卫为通讯作者。福建农林大学海峡联合研究院合成生物学研究中心于永强博士、徐通达教授，上海交通大学农业与生物学院博士后管彬 (现为奥地利科学技术研究院博士后) 参与了研究工作。研究得到了国家自然科学基金的资助。