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蛋白修饰系列第三期——植物蛋白修饰如何应用

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    发表于 2018.12.18 09:29:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
    在前两期的文章中,我们已经介绍翻译后修饰(PTMs)可以通过引入磷酸、乙酰、泛素等新的官能团来改变蛋白质的功能(回顾戳这里)。PTMs在蛋白质稳定性、细胞信号转导、基因表达和酶活性的活化/失活等多种生物过程中发挥着重要作用。

    但是有很多小伙伴提问了,在什么情况下可以进行蛋白修饰的研究呢,针对这个问题,我们今天就来了解一下,蛋白修饰在植物研究中可以怎么应用。

    很多的植物研究都是针对是对外界环境刺激的响应或生长过程的变化。为了抵消外界胁迫的不利影响,植物采用了多种耐压策略,通过改变基因表达、蛋白质合成和翻译后修饰,帮助植物在胁迫下重建细胞内稳态。

    同样的,在植物的生长过程中,也需要基因、蛋白质和翻译后修饰多方面协作,使植物茁壮成长。其中,我们针对基因表达和蛋白质合成已经有非常广泛的研究,而在蛋白修饰方面相对较少,但它同样可以作为我们的利器,帮助我们进行机制研究。

    其实无论是研究抗逆还是生长发育,蛋白修饰都参与到其中。由于蛋白修饰的作用十分广泛,下面我们将针对其重要的功能进行介绍。

    表.各修饰类型汇总


    1蛋白质磷酸化


    磷酸化作为最广泛的翻译后修饰,是植物细胞通过受体激酶信号转导对环境刺激的感知和反应的关键。与人类相比,植物激酶的数量和多样性翻了一倍,说明植物激酶和磷蛋白激酶在调节胁迫反应中具有非常重要的作用。
    因此,分析环境压力下磷酸化的变化可以有效的帮助我们理解植物的防御机制。当然,生长发育和信号转导同样密切相关,磷酸化蛋白组也能作为研究工具帮助我们深入了解植物在生长发育过程的变化。
    举个例子,冷胁迫是影响许多重要作物生长、分布和产量的主要环境因素,针对耐寒和不耐寒的两个番茄品系,分别在常温和低温的条件下培养,然后进行磷酸化蛋白组研究。
    研究发现磷酸化蛋白在长时间的冷胁迫后表现出明显的耐受性,随后对磷酸化蛋白的motif进行分析以及体外激酶反应的验证,识别到涉及耐寒信号的激酶,并发现两种番茄在寒冷环境下的独特激酶底物事件。这些结果表明,磷酸化蛋白组可以辅助我们研究植物的抗逆机制。


    图1.番茄磷酸化研究的实验设计

    2蛋白质的赖氨酸乙酰化(KAC)

    乙酰化KAC是真核和原核生物中发现的另一种可逆的动态PTM。最初KAC是在组蛋白修饰中被识别出来的,但随着不断的深入研究,发现它广泛存在于蛋白质中。KAC同样具有非常多的功能,代谢调控是其中最重要的功能,涉及到植物生长发育、抗逆等多个方面。
    目前已有很多植物乙酰蛋白质组的研究。如小麦基因组中大量乙酰转氨酶和去乙酰酶的同源物的存在表明,蛋白质的赖氨酸乙酰化可能在小麦的发育和代谢中发挥关键作用。
    因此有学者对小麦进行乙酰化蛋白研究,在277个蛋白质上鉴定了416个乙酰化位点,这些蛋白控制着小麦的各种生物过程。其中,参与光合作用和卡尔文循环的26种蛋白质都发生了乙酰化,表明了小麦乙酰化蛋白质的重要作用。


    图2.小麦赖氨酸乙酰化在卡尔文循环(a)和光合作用(b)中的

    3蛋白质泛素化

    泛素化的作用主要参与蛋白质的降解,是调节植物免疫和激素信号的关键机制,与其他真核生物相比,植物基因组往往编码大量的泛素蛋白酶体系统(UPS),表明该系统是众多植物细胞过程调控的关键枢纽。
    为了更好地理解泛素化在水稻免疫中的调控作用,Xiao-Lin Chen等人采用两种病原处理水稻幼苗后,进行泛素化蛋白组研究。结果表明,在病原处理过程中,涉及泛素化系统、蛋白转运、膜转运和氧化还原反应等许多蛋白质的泛素化水平发生了显著变化。
    另外,植物激素信号通路中一些关键成分的泛素化水平也发生了改变,暗示着泛素化可能对激素通路进行微调,以应对防御反应。


    图3.泛素系统在激素信号通路中的调节功能

    4蛋白质糖基化

    糖基化是最复杂的蛋白修饰类型,糖基化能给调节蛋白质的折叠、稳定性、溶解度、生物发生和酶活性,同时也阻止蛋白质的降解。蛋白质的N -糖基化在植物发育、耐受应激和免疫应答中发挥着重要作用。
    光诱导脱黄化(绿色化)是植物非常重要的发育过程之一,在这个过程中,植物发生光形态发育和由异养代谢向自养代谢的转变。
    为了了解光诱导脱黄化中糖基化在其中的作用,对玉米幼苗经过12小时的脱黄化后,进行糖基化蛋白组检测,发现1084个具有909个N-糖化位点的N -糖化肽,其中有186条糖肽有显著变化。对变化显著的糖蛋白进行富集分析,发现涉及代谢过程、酶活性等的生物学过程,揭示了N-糖化修饰在玉米叶片脱黄化中的潜在作用。


    图4.玉米脱黄化过程中糖基化蛋白显著富集的GO term

    其实,我们从文章最开始的汇总表格可以发现,在植物研究的各种范围都会涉及蛋白修饰。归根结底,就是由于蛋白修饰在各种生物过程中都有参与,甚至起到了非常重要的作用,换句话说,当我们的实验设计可以使用转录组或蛋白组来进行研究时,蛋白修饰组同样可以起作用。
    因此,大家不用太纠结于该用哪种技术进行研究,如果想要入门,那么我们可以先从磷酸化入手;如果想深入展开研究,可以再继续进行乙酰化、泛素化等研究。比如在2015年时,Xiaojing Li等人就已经进行了水稻花药在减数分裂期磷酸化组学的研究[5],随后在2017年又进行了乙酰化组学的研究,进一步将对该机制进行了深入的研究。
    那么这期对植物蛋白修饰的介绍就到这里了,随后我们还会针对动物、医学的蛋白修饰应用进行介绍,期待我们的下次相见~
    光看文字,是不是还了解的不够深入呢,下周四的omicshare在线课堂会对蛋白修饰进行介绍,如果大家有兴趣的话,有问题的话可以直接进行沟通交流,欢迎大家来听哦~

    拓展阅读
    蛋白修饰系列第一期——蛋白修饰知多少?
    蛋白修饰系列第二期——如何进行蛋白修饰的研究

    参考文献
    [1]Bu T, Shen J, Chao Q, et al. DynamicN-glycoproteome analysis of maize seedling leaves during de-etiolation usingConcanavalin A lectin affinity chromatography and a nano-LC–MS/MS-based iTRAQapproach[J]. Plant cell reports, 2017, 36(12): 1943-1958.[2]Zhang Y, Song L, Liang W, et al. Comprehensiveprofiling of lysine acetylproteome analysis reveals diverse functions of lysineacetylation in common wheat[J]. Scientific reports, 2016, 6: 21069.[3]Chen X L, Xie X, Wu L, et al. Proteomic analysisof ubiquitinated proteins in rice (Oryza sativa) after treatment withpathogen-associated molecular pattern (PAMP) elicitors[J]. Frontiers in plantscience, 2018, 9.[4]Bu T, Shen J, Chao Q, et al. DynamicN-glycoproteome analysis of maize seedling leaves during de-etiolation usingConcanavalin A lectin affinity chromatography and a nano-LC–MS/MS-based iTRAQapproach[J]. Plant cell reports, 2017, 36(12): 1943-1958.[5]Li X, Ye J, Ma H, et al. Proteomic analysis of lysine acetylation providesstrong evidence for involvement of acetylated proteins in plant meiosis andtapetum function[J]. The Plant Journal, 2018, 93(1): 142-154.
    本文作者:基迪奥半夏



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    发表于 2018.12.19 12:34:57 | 显示全部楼层
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