蛋白質是生命活動的主要承擔者,其合成由編碼基因的mRNA含量與翻譯效率共同決定。翻譯調控可在不改變mRNA含量的情況下,快速可逆地調控蛋白合成,有助于生物在感知內外源信號后,迅速做出應變行為。
乙烯信號在植物生長發育與逆境脅迫中發揮重要作用。前期擬南芥研究發現,EIN2通過直接或間接靶向乙烯信號負調控組分EBF1/2 mRNA進行翻譯抑制來激活乙烯信號。然而,這一過程是否有RNA結合蛋白的參與,以及乙烯信號在全基因組水平會有怎樣的翻譯調控模式,尚不清楚。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所張勁松研究組和中國農業大學,通過分析水稻乙烯不敏感突變體mhz9,鑒定到一個包含甘氨酸-酪氨酸-苯丙氨酸(GYF)結構域的蛋白MHZ9(MAO HUZI 9);解析了MHZ9通過直接結合OsEBF1/2和其他他相關mRNA,啟動全基因組水平的翻譯調控從而激活乙烯反應的分子機制。
MHZ9定位于胞質RNA加工小體(P-body)。MHZ9蛋白C端富含谷氨酰胺的結構介導了MHZ9與OsEIN2 CEND的互作及MHZ9的P-body定位。MHZ9蛋白N端含有RNA加工相關結構域PRP4,直接結合OsEBFs mRNA及許多其他相關基因。植物體內,MHZ9可能通過其C端與OsEIN2 CEND互作接受上游乙烯信號,激活MHZ9 N端的RNA結合活性,結合OsEBF1/2 mRNA的3'UTR,介導乙烯對OsEBF1/2 mRNA的翻譯抑制(如圖)。在mhz9中OsEBFs的翻譯不受抑制,OsEBFs蛋白過度累積,降低下游轉錄因子OsEIL1的穩定性,引起根的乙烯不敏感反應。
Ribo-seq分析顯示乙烯造成水稻大量基因翻譯效率的改變,涉及氨基酸代謝、tRNA合成、自噬和脂類代謝等過程。而這些乙烯誘導的翻譯響應基因中有超過90%基因的翻譯效率改變依賴MHZ9。MHZ9直接結合并調控了包括OsEBFs在內的部分基因。MHZ9除參與黃化苗乙烯反應外,還影響株高、分蘗數和籽粒大小等農藝性狀,暗示MHZ9可能通過其介導的轉錄后/翻譯調控參與植物的不同發育過程。該研究鑒定了新的乙烯信號調控組分,揭示了水稻乙烯信號轉導的翻譯調控機制,為培育耐逆穩產水稻等作物提供了新的基因資源和理論依據。
8月4日,相關研究成果在線發表在《自然-通訊》(Nature Communications,DOI:10.1038/s41467-023-40429-0)上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。華南農業大學科研人員參與研究。