李家洋团队发现snoRNP在热精胺介导的拟南芥生长发育中发挥关键作用
多胺(polyamines)广泛存在于细菌、酵母、动物和植物中，于1678年由安东尼·范·列文虎克发现。多胺的主要存在形式为腐胺(Putrescine, Put)、亚精胺(Spermidine, Spd) 和精胺(Spermine, Spm)，曾被认为是一类潜在的植物激素，调控植物生长发育和环境适应的多个方面，但是由于其内源含量远高于经典的植物激素，并且其信号转导途径不明确，近年来被认为仅作为一类生长调节物质发挥功能。热精胺(Thermospermine, T-Spm)于1979年在嗜热菌(Thermus thermophilus)中得到鉴定，是精胺的同分异构体，但拟南芥中热精胺合成缺陷突变体的表型与腐胺、亚精胺和精胺缺陷突变体的表型存在显著差异，说明热精胺在植物体内可能存在特异的功能和信号转导途径。
中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队通过测定拟南芥体内多胺的含量，发现热精胺的内源含量显著低于腐胺、亚精胺和精胺，达到经典植物激素的范围。热精胺合成突变体acl5 的株高显著降低，并且在靠近根−茎连接处的根部出现瘤状结构 (图1A)。为解析热精胺调控植物生长发育的机制，开展了大规模的抑制子筛选，获得了50多个acl5瘤状结构的抑制子(Suppressors of acl5nodule structure, san)。对其中两个抑制子san1和san2开展深入研究，发现它们均能恢复acl5突变体瘤状结构产生和矮化的表型，并且内源热精胺含量显著低于野生型和acl5 (图1)。
图1. acl5 抑制子表型及内源热精胺含量分析
SAN1和SAN2分别编码box H/ACA和box C/D snoRNP复合体的核心蛋白NAP57和NOP56，并分别在保守的TruB N和Nop结构域发生了点突变。细菌、酵母和动物中的研究表明，box H/ACA和box C/D snoRNP复合体分别由四个核心蛋白及其相应的小分子核仁RNA (snoRNA)组成，分别负责核糖体RNA (rRNA)的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰，与核糖体的生物合成和活性以及癌症等疾病的发生密切相关。植物中box H/ACA和C/D snoRNP复合体的核心蛋白与酵母和动物中的核心蛋白高度同源，但目前对于snoRNP复合体在植物中的功能研究还十分有限。
通过对rRNA假尿嘧啶化修饰的质谱定量分析，发现acl5中假尿嘧啶化修饰水平与野生型相比无明显差异，而acl5 san1中假尿嘧啶化修饰水平显著降低 (图2A)，表明SAN1中的点突变导致了box H/ACA snoRNP功能的损伤。利用高通量测序技术检测了5.8S、18S和25S rRNA中的2'-O-甲基化修饰位点及程度，发现acl5的2'-O-甲基化修饰水平与野生型相比无明显差异，而acl5 san2中rRNA的2'-O-甲基化修饰水平出现全局性降低(图2B)，表明SAN2在rRNA 2'-O-甲基化修饰中发挥重要功能。
图2. acl5 抑制子中rRNA的假尿嘧啶化和2'-O-甲基化分析
综上，该研究将rRNA修饰和热精胺介导的植物生长发育关联起来，为研究热精胺调控植物生长发育的机制提供了重要证据 (图3)。由于热精胺内源含量较低，可能作为一类新的植物激素发挥功能，未来对更多acl5抑制子的分析以及对snoRNP功能的深入研究，对于揭示热精胺在植物中的完整信号转导途径具有重要意义。
该研究成果以题为“SnoRNP is essential for thermospermine-mediated development in Arabidopsis thaliana”于2022年11月15日在线发表于Science China Life Sciences。遗传发育所博士后李锡龙和闫宗运为论文共同第一作者，李家洋研究员和王冰研究员为共同通讯作者。中科院生物物理所叶克穷研究员，北京大学伊成器教授以及中科院遗传发育所植物激素分析平台褚金芳团队参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导专项、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会以及关键技术人才计划的支持。
图3. 热精胺调控拟南芥生长发育的工作模型
在拟南芥中腐胺(Putrescine)、亚精胺(Spermidine)、精胺(Spermine)和热精胺(Thermospermine)是主要类型的多胺，它们的内源含量和生物学功能存在差异。研究发现热精胺的内源水平约为1 μg/g，接近内源植物激素的范围。通过遗传筛选鉴定到acl5的抑制子蛋白SAN1/NAP57和SAN2/NOP56，分别是box H/ACA snoRNP和box C/D snoRNP中的核心组分，在rRNA的假尿嘧啶化修饰和2'-O-甲基化修饰中发挥关键作用。因此，热精胺通过调控snoRNP复合物的功能调节拟南芥的株高和瘤状结构的形成，对snoRNP功能的深入解析有望阐明植物中热精胺的信号转导机制。
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