2020年1月10日,国际植物学权威期刊The Plant Cell 在线发表了威廉希尔williamhill官方网站陈铭佳副教授和德国汉诺威大学Claus-Peter Witte教授作为共同通讯作者的合作研究论文“A Kinase and a Glycosylase Catabolize Pseudouridine in the Peroxisome to Prevent Toxic Pseudouridine Monophosphate Accumulation”。 陈铭佳副教授2018年12月引进来校,在威廉希尔williamhill官方网站植物激素课题组工作,该论文首次系统阐明了植物细胞中假尿嘧啶(Ψ)的来源和降解途径,并揭示了植物为防止假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)过度积累引发细胞毒力的机制。该论文第一署名单位为威廉希尔williamhill官方网站,该工作得到了国家自然科学基金,江苏省自然科学基金和德国国家自然基金(DFG)的资助。
近些年来RNA修饰研究领域发展迅速,成为新的研究热点。在众多已知的RNA化学修饰中,假尿嘧啶(Ψ)可以算得上是一种高丰度常见修饰了。Ψ广泛存在于tRNA、rRNA、snRNA以及mRNA等各类RNA中。随着RNA的降解,假尿嘧啶(pseudouridine)和其他核苷一起被释放在细胞中,形成游离核苷。而不同于常见核苷(腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶和尿嘧啶),假尿嘧啶不可以被细胞重新循环利用,以免扰乱RNA固有修饰图谱。
该论文中研究者发现,有别于哺乳动物(会将体内所产生假尿嘧啶通过泌尿系统排出),植物会利用两种特异性酶1)假尿嘧啶激酶(PUKI)和2)假尿嘧啶核苷酸水解酶(PUMY)一起工作,清除细胞内源性假尿嘧啶。具体为:PUKI先将假尿嘧啶磷酸化产生假尿嘧啶核苷酸,该产物随后被PUMY解和并水解为尿苷和5-磷酸核糖。
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有意思地是,这两个酶均亚细胞定位于过氧化物酶体中。并且,植物缺少其中任意一种酶均可导致体内假尿嘧啶(pseudouridine)和假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)大量积累并且引起突变株种子萌发推迟现象(以植物缺失PUMY基因尤为严重)。从以上化学反应可知,假尿嘧啶的降解过程并不涉及氧化还原反应。那么植物中这两种酶为什么均定位于过氧化物酶体中呢?为了得到这一答案,研究人员人为地将细胞质特异性表达得PUKI过表达于PUKI突变株中,这样一来,就得到了在细胞质中表达PUKI,而在过氧化物酶体中表达PUMY的植物。该植物可以正常生长于1/2 MS培养基中,却无法存活于外源添加了假尿嘧啶的培养基中。进一步实验表明,PUKI酶的产物假尿嘧啶核苷酸(ΨMP)在细胞中,尤其是细胞质中,呈现显著细胞毒力,如果不能够被PUMY及时捕获并清除,将危害种子萌发和植物正常生长。
综上所述,植物细胞中的大部分假尿嘧啶(来源于rRNA的降解)在液泡中产生,经过转运至过氧化物酶体中,首先被PUKI磷酸化生成假尿嘧啶核苷酸,随后立即被PUMY捕获并水解为尿苷和5-磷酸核糖(如下图)。植物很聪明地进化出定位在过氧化物酶体内的PUKI和PUMY,一是有效地避免了在细胞质中产生具有细胞毒力的假尿嘧啶核苷酸;二是将整个假尿嘧啶降解过程压缩在一个相对狭小的空间内(过氧化物酶体中),加速了反应的正向效率;三是避免了假尿嘧啶降解过程对其他常见核苷(尤其是尿嘧啶)代谢的影响。
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文章链接:http://www.plantcell.org/content/early/2020/01/10/tpc.19.00639