Aloysius Wong/Chris Gehring团队Trends in Plant Science综述: 植物环核苷酸

▲ 点击上方蓝字关注CellPress细胞科学 ▲

生命科学

Life science

20世纪50年代发现cAMP和20世纪60 年代发现cGMP作为细胞信号，开创了信号转导研究的新时代，重点关注环核苷酸作为第二信使，在传导激素或神经递质等外部因素到细胞中起到至关重要的作用。环状核苷酸增强了第一信使的信号，信号在内部传播又通过信号级联引起生理变化。为了有效地发挥第二信使的作用，必须瞬时且动态地控制环核苷酸的细胞水平。它们产生和失活的酶类似于“开”和“关”开关，已被确定在细菌、真菌和动物以及人类中高度保守，它们已经被用作治疗应用的方式。鉴于环核苷酸作为第二信使的普遍性，令人惊讶的是它们相应的生成酶和失活酶在植物中似乎不存在，从而导致科学家推测这些酶可能被伪装成隐藏在具有更大结构域的复杂蛋白质中的兼职位点，这些蛋白质含有更大的其他主要功能域，比如离子转运蛋白、激素和肽受体以及激酶。

近日，温州肯恩大学Aloysius Wong教授、意大利佩鲁贾大学Chris Gehring教授以及第一作者波兰托伦哥白尼大学Mateusz Kwiatkowski博士研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science发表了题为“Cyclic nucleotides – the rise of a family”的综述，其中强调了cAMP和cAMP生成酶两项里程碑式的发现。该综述提供了植物环核苷酸研究的简要历史记录，并描述了一些关于酶的生成和灭活的经典和最新研究，同时试图描述不同环核苷酸异构体的生物学作用。该综述还讨论了对环核苷酸家族中鲜为人知、非典型且较遥远的成员进行的研究。植物和其他系统之间的概念差异在综述中被优雅地描述为“兼职位点（moonlighting sites）”和“分子调谐者（molecular tuning）”，这两者都是植物系统独有的特征，因此为科学家提供了一个前瞻性的视角，有助于制定策略来推进植物细胞信号传导的这一领域。

有兴趣在Trends in Plant Science发表您的综述文章？请扫描提交论文提案 (presubmission inquiry)。

产生环核苷酸的酶存在于众所周知的植物受体中

2022年是植物环核苷酸研究的一个重要节点，权威期刊Nature和Cell上发表了两篇关于植物环核苷酸生成酶的里程碑式文章。奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria ISTA）的Jiří Friml团队与波兰托伦尼古拉斯哥白尼大学的Krzysztof Jaworski 团队合作，发现了一种在transport inhibitor response 1/auxin-signaling F-box（TIR1/AFB）生长素受体中发挥作用的腺苷酸环化酶（adenylate cyclase AC）。最近在Nature杂志上发表的结果表明，TIR1/AFB的AC活性受到生长素的刺激，并且是生长素依赖性转录所必需的。催化中心关键氨基酸的突变使AC失活，并且一种突变干扰了TIR1/AFB-Aux/IAA复合物的形成，该复合物对于解除对auxin response factors （ARF）转录因子的抑制至关重要。值得注意的是，催化中心关键残基的取代减少了生长素依赖性根生长抑制和向地性，其中一种突变使根对生长素完全脱敏。核生长素信号通路已被充分表征，并且十多年来一直保持不变。在过去十年中，生长素受体中AC的发现，以及嵌入油菜素类固醇受体（brassinosteroid receptor BRI1）、植物磺肽素受体（phytosulfokine receptor PSKR1）、植物激发肽受体（plant elicitor peptide receptor 1 PEPR1）和植物利尿钠肽受体（plant natriuretic peptide receptor PNPR1）中的鸟苷酸环化酶（guanylate cyclases GCs）的发现，已经将环核苷酸确立为植物激素和肽信号转导途径的重要组成部分。

德国科隆大学、马克斯·普朗克植物育种研究所、北京结构生物学高精尖创新中心、清华-北大生命科学联合中心、中国清华大学生命科学学院植物生物学中心和新加坡南洋理工大学生物科学学院结构生物学研究所Bin Wu、Paul Schulze-Lefert、柴继杰课题组与研究表明，在烟草（Nicotiana benthamiana）中，Toll/白细胞介素-1受体（Toll/interleukin-1 receptor TIR）蛋白可以通过RNA或双链DNA的水解合成2',3-cAMP/cGMP。在真核生物和原核生物中高度保守的TIR结构域被认为仅包含NADase结构域，但最近发表在Cell上的结果揭示了植物TIR结构域的一种新功能，即作为TIR介导的细胞死亡所必需的2',3'-cAMP/cGMP合成酶。通过低温电子显微镜 (cryogenic electron microscopy  cryoEM) 对野生型和含有对双链 DNA 相互作用重要的几个基本残基突变的蛋白质进行结构研究，确定了NADase和合成酶活性是相互排斥的。重要的是，特异性破坏合成酶活性的突变消除了烟草（Nicotiana benthamiana）中TIR介导的细胞死亡，而TIR-NLR信号传导的拟南芥负调节因子NUDT7显示2',3'-但不显示 3',5'-cAMP/cGMP磷酸二酯酶（phosphodiesterase PDE）活性，抑制了烟草（Nicotiana benthamiana）中TIR的细胞死亡活性。

不同的环核苷酸异构体是否存在“分工”？

分辨率越来越高的技术可以可靠地检测3',5'环核苷酸并将其与其2',3'位置异构体分离。它们的细胞和生物功能被同时确定，并且不同环核苷酸异构体控制的过程和反应似乎存在差异。3',5'-cAMP/cGMP通常在较低浓度下检测到，它们被认为是在有限的细胞微环境中发挥分子调谐器的作用从而影响发育过程和应激反应，例如，通过丝裂原激活蛋白（mitogen-activated protein MAP）激酶、受体样激酶（receptor-like kinases RLKs）和钙依赖性蛋白激酶（calcium-dependent protein kinases CDPKs）来调节肌动蛋白细胞骨架和磷酸化状态。同时，较少研究的2',3'异构体似乎在植物防御反应的系统水平上以较高浓度发挥作用。

▲图1. 环核苷酸异构体之间的分工。

在同一蛋白质中产生和降解环核苷酸的酶表明了一个复杂的分子调节特征

在其他系统中，环核苷酸的生成和失活酶通常作为独立蛋白质存在，因此，最近发现在复杂蛋白质中起作用的AC和PDE，例如拟南芥K+转运蛋白AtKUP5和甘蓝型油菜（Brassica napus）双功能蛋白BnFolD2，有趣的是，它们在叶酸代谢和DNA甲基化中起作用。

这种多域结构提供了瞬时、动态和高度分隔的细胞反应的优势，这在拥挤的植物细胞质环境中特别相关。

总结和展望

在植物中，调节环核苷酸水平的酶似乎在有限的细胞微环境中协同运作，以实现特异性和可调节的反应。这一特性是通过复杂的多结构域蛋白实现的，这些蛋白含有具有神秘活性的兼职位点，尽管在枣等作物中已经报道了一些具有异常高活性的ACs。

随着环核苷酸cAMP和cGMP现已被牢固确立为植物细胞信号传导和反应的重要组成部分，一些问题随之出现。首先，什么机制控制这些兼职位点的活动以及它们的活动如何影响其他领域？其次，最近对在复杂蛋白质中起作用的环化酶和PDEs的鉴定需要进行深入的表征，以解决催化活性的时间、空间和刺激特异性变化及其对Ca²⁺ 和其他信号成分的相互依赖性。第三，对这些新型兼职蛋白的比较研究将为了解植物的调控复杂性如何进化提供有价值的线索。这方面的知识可能为植物生物技术提供新的输入，因为仅依赖动物系统不太可能提供对植物信号传导和细胞过程的全面理解。总而言之，过去十年的研究已经确立了植物环核苷酸作为一个新兴领域的关键，这对于我们理解植物过程和反应至关重要，可以为生物技术创新，特别是作物改良提供信息。

本文参考文献（上下划动查看）

1. Qi, L. et al. (2022) Adenylate cyclase activity of TIR1/AFB auxin receptors in plants. Nature 611, 133–138

2. Yu, D. et al. (2022) TIR domains of plant immune receptors are 2′,3′-cAMP/cGMP synthetases mediating cell death. Cell 185, 2370-2386.e18

3. Wong, A. et al. (2023) Plant adenylate cyclases have come full circle. Nat. Plants 9, 1389–1397

4. Wong, A. et al. (2022) Adenylate cyclase activity of TIR1/AFB links cAMP to auxin-dependent responses. Mol. Plant 15(12), 1838–1840

5. Qi, L. and Friml, J. (2023) Tale of cAMP as a second messenger in auxin signaling and beyond. New Phytol. 240(2), 489–495

6. Wheeler, J.I. et al. (2017) The brassinosteroid receptor BRI1 can generate cGMP enabling cGMP-dependent downstream signaling. Plant J. 91, 590–600

7. Qi, Z. et al. (2010) Ca2+ signaling by plant Arabidopsis thaliana Pep peptides depends on AtPepR1, a receptor with guanylyl cyclase activity, and cGMP-activated Ca2+ channels. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 21193–21198

8. Liu, Z. et al. (2023) Three novel adenylate cyclase genes show significant biological functions in plant. J. Agric. Food Chem. 71, 1149–1161

9. Chodasiewicz, M. et al. (2022) 2′,3′-cAMP treatment mimics the stress molecular response in Arabidopsis thaliana. Plant Physiol. 188, 1966–1978

10. Kwiatkowski, M. et al. (2022) Twin cyclic mononucleotide cyclase and phosphodiesterase domain architecture as a common feature in complex plant proteins. Plant Sci. 325, 111493

论文作者介绍

Aloysius Wong，博士 

温州肯恩大学理工学院院长

教授

Aloysius Wong是温州肯恩大学理工学院院长、综合植物科学研究中心主任、生物学教授。Aloysius获得了沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology KAUST)的生物科学博士学位和英国剑桥大学生物技术硕士学位。他此前曾在法国国家科学研究中心（National Center for Scientific Research CNRS）工作。自2014年以来，Aloysius以第一或通讯作者身份在Nature Plants、Trends in Plant Science、Molecular Plant、Development、Bioinformatics和Horticulture Research等权威期刊发表SCI论文超过50篇。他还在Plant Cell和Plant Journal上发表文章，并为Nature杂志审稿。自2016年加入温州肯恩大学以来，Aloysius作为PI获得两项国家自然科学基金资助和一项浙江省自然科学基金资助。他也是浙江省生物信息学国际科技合作中心、温州市应用生物医学与生物制药信息学重点实验室核心成员。2019年，Aloysius被温肯授予杰出研究贡献校长奖。2020年，他被授予浙江省高层次拔尖人才奖。2023年，他的一篇文章被评选为浙江省年度青年科技工作者优秀论文。

Chris Gehring，博士

意大利佩鲁贾大学教授

Chris Gehring目前是意大利佩鲁贾大学的教授。他曾担任沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 (King Abdullah University of Science and Technology KAUST)、南非西开普大学和澳大利亚拉筹伯大学的正教授。他在英国伦敦大学获得博士学位，在瑞士巴塞尔大学获得学士学位。Chirs发表了200多篇文章，其中包括两篇在Nature杂志上发表的第一作者文章。他一直在PNAS、Molecular Plant、New Phytologist、Nature Plants、Plant Physiology、Plant Journal、Trends in Biotechnology、Trends in Genetics和Trends in Plant Science等顶级期刊上发表文章。他的引用次数超过10,000 次（h-index: 53; i10-index: 135），是一位享誉全球的资深研究员。在“多个第一”中，利用基于基序的方法，他是第一个发现在植物中产生环核苷酸酶的人。Chris同时也是全球植物细胞信号领域的先驱和顶尖科学家之一。

相关论文信息

相关研究发表在Cell Press细胞出版社

旗下期刊Trends in Plant Science，

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Cyclic nucleotides – the rise of a family

▌论文网址：

https://www.cell.com/trends/plantsc-ience/fulltext/S1360-1385(24)00044-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.02.003

▲长按识别二维码阅读论文

推荐阅读

▲长按识别二维码关注细胞科学