Developmental Cell|美国科学院院士朱健康阐述冷胁迫新机制

iNature：丝裂原活化蛋白激酶级联反应（MAPK）途径是将环境刺激转化为细胞反应的重要信号模块。朱健康研究组显示MPK3，MPK4和MPK6在冷处理后迅速被激活。 mpk3和mpk6突变体显示CBF基因的表达增加，并且提高了冷冻耐受性，而植物中MKK4 / 5-MPK3 / 6级联的组成型激活导致CBF基因的表达降低和对冷冻的超敏反应，这表明MKK4 / 5-MPK3 / 6级联负调节冷反应。 MPK3和MPK6可以磷酸化ICE1，一种调节CBF基因表达的碱性螺旋 - 环 - 螺旋转录因子，磷酸化促进ICE1的降解。有趣的是，MEKK1-MKK2-MPK4途径组成型抑制MPK3和MPK6活性，并在冷反应中起积极作用。此外，MAPKKK YDA和两种钙/钙调蛋白调节的受体样激酶CRLK1和CRLK2负调节MPK3 / 6的冷激活。研究结果揭示了MAPK级联在植物冷应激调控中的重要作用。

冷胁迫是影响植物地理分布和生长的重要因素。寒冷的温度可能会对植物造成损害，特别是在发生突发性霜冻时，会导致作物生产力和质量下降（Chinnusamy et al，2007；Thomashow，1999）。冷驯化是植物在暴露于低温但非冻结的温度后增加其抗冻性的现象（Thomashow，1999）。在冷适应期间，植物的生理和代谢状态改变，伴随着成千上万基因表达的变化（Chinnusamy ，2007；Medina，2011）。编码AP2 / ERF（APETALA2 /乙烯应答因子）型转录因子的三个CBF基因通过调节冷反应（COR）基因亚型的表达在冷适应中起关键作用（Jaglo-Ottosen  ，1998；Liu，1998；Medina，1999；Stockinger，1997；Zhao，2015）。具有所有三种CBF基因敲除的拟南芥植物显示冷驯化能力显着降低，并且对冷冻极度敏感（Jia ，2016；Zhao and Zhu，2016；Zhao，2016）。

冷胁迫途径

来源Zhu Lab

鉴定其主要的ice1突变体（ice1-1）是由于CBF3-LUC转基因（由CBF3启动子驱动的萤火虫荧光素酶转基因）的冷诱导减少的结果（Chinnusamy，2003）。在ice1-1突变体植物中，与野生型相比，CBF基因及其下游COR基因的冷诱导表达降低。结果，ice1-1突变体显示对冷冻条件的超敏反应。 ICE1编码可结合CBF3启动子的MYC识别基序的MYC样碱性螺旋 - 环 - 螺旋转录因子（Chinnusamy，2003；Kim，2015）。 ICE2是拟南芥中ICE1的旁系同源物，两种蛋白质具有61％的同一性。单个基因敲除不会引起明显的形态表型，但是ice2-2 ice2-2双突变体显示矮型表型（Kim，2015），表明ICE1和ICE2是冗余的。

MPK3, MPK4, and MPK6在冷作用下被激活

由于ICE1是冷反应途径的关键组成部分，发现调控其活性具有重大意义。 HOS1是调节ICE1丰度的蛋白之一。 HOS1编码与ICE1相互作用，并促进ICE1降解的RING指泛素E3连接酶（Lee，2001；Dong，2006）。在hos1突变体植物中，ICE1在冷诱导下，其蛋白被降解，而HOS1的过表达促进了ICE1在正常和低温条件下的降解（Dong et al。，2006）。编码SUMO E3连接酶的SIZ1促ICE1的SUMO化。 ICE1的Sumoylation可能促进ICE1蛋白的稳定性，从而导致CBF基因表达增加，并且增加了冷冻耐受性（Miura et al，2007）。

mpk3 及mpk6突变体对于冷作用超敏感

最近，作为ABA核心信号通路中的蛋白激酶的OST1被证明可以积极调控ICE1的稳定性（Ding，2015）。 ost1突变体对冷冻敏感，而过表达OST1的转基因植物表现出增加了耐寒性。 OST1通过在Ser278上磷酸化ICE1，增强了ICE1的稳定性。几项研究表明，ICE1的蛋白质水平在冷胁迫下降低（Ding et al。，2015，Dong et al。，2006，Miura et al。，2011），但触发ICE1降解的信号传导事件仍不清楚。一项研究表明，ICE1的Ser403对于ICE1的稳定性是重要的（Miura等，2011）。ICE1的403位Ser替换为Ala，增强了ICE1的反式激活活性，阻止了ICE1的冷诱导作用下的降解过程。过表达ICE1（S403A）的植物显示比过表达野生型ICE1的植物更高的抗冻性。结果表明，ICE1在Ser403处的磷酸化可能引发ICE1的降解。

MKK5-MPK3 / 6级联组成型激活导致增加对冻结的敏感性

MKK4 / 5-MPK3 / 6和MEKK1-MKK1 / 2-MPK4构成了两个经过深入研究的MAPK级联，其涉及植物对不同外部刺激的反应，包括生物和非生物胁迫（Meng and Zhang，2013；Petersen et al， 2000；Pitzschke，2014；Teige，2004）。以前的研究表明，MEKK1-MKK2-MPK4 / MPK6级联参与冷反应和冷冻耐受性的正调控（Teige，2004）。低温诱导MEKK1的激酶活性，随后磷酸化MKK2（Furuya，2013）。活化的MKK2磷酸化MPK4和MPK6 （Teige，2004），然后可能调节下游组分以调节细胞状态以适应冷冻条件。

mpk4突变植物对冷敏感

据报道，mkk2突变体表现出对冻结的敏感性增加，而与野生型相比，表达组成型活性形式的MKK2的转基因植物表现出增加的耐冻性。此外，MKK2的过度表达导致CBF基因的表达增加，即使没有冷处理（Teige，2004）。这些结果表明MKK2介导的激酶级联正调节冷反应。然而，冷反应途径中MPK4和MPK6的蛋白质底物尚未确定，MPK4和MPK6的作用及其在耐寒性中的遗传相互作用的实验证据仍然缺失。

朱健康组最后提出的model

在本研究中，朱健康研究组进行磷酸化蛋白质组学分析，以鉴定在低温处理后在拟南芥植物中激活的MAP激酶。 发现，三种MAPKs，MPK3，MPK4和MPK6在冷处理后迅速被激活，同时有趣的是，MKK5-MPK3 / MPK6级联反应通过在Ser94，Thr366和Ser403处的磷酸化促进ICE1的降解来负调节冷反应。 相比之下，MEKK1-MKK2-MPK4级联阳性调控冷反应，并组成型抑制MPK3和MPK6的蛋白水平和激酶活性。 因此，结果揭示了两种MAP激酶级联在调控COR基因表达和冷冻耐受性中的作用。

杨淑华研究组的模型

另外，杨淑华研究组也报告了类似的发现，同朱健康组的文章背靠背发表在Developmental Cell上，这里简略介绍一下发现的过程：ABA信号传导中著名的Ser / Thr蛋白激酶OST1（OPEN STOMATA 1）作用于CBF的上游，以正调节冷冻耐受性。 ost1突变体显示冷冻超敏反应，而过表达OST1的转基因植物表现出增强的耐寒性。 OST1激酶被冷应激激活。此外，OST1与CBF途径中的转录因子ICE1和E3连接酶HOS1相互作用。冷活化的OST1磷酸化ICE1并增强其稳定性和转录活性。同时，OST1干扰了HOS1和ICE1之间的相互作用，从而抑制了冷胁迫下HOS1介导的ICE1降解。因此，结果揭示了OST1在拟南芥中调节CBF依赖性冷信号传递的意想不到的作用。

延伸阅读

原文链接

http://www.cell.com/developmental-cell/pdf/S1534-5807(17)30783-9.pdf

http://www.cell.com/developmental-cell/pdf/S1534-5807(14)00844-2.pdf

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参考文献

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