植物sirtuin蛋白家族研究进展 植物学报    2023, 58 (6): 998-1007.   DOI: 10.11983/CBB22255

表1 植物sirtuins的分类和功能

正文中引用本图/表的段落

目前, 对于高等植物sirtuins的酶活性、催化底物、细胞定位及功能已有详细的研究(表1)。而低等植物sirtuins研究主要局限于家族基因的鉴定、组织间和不同发育阶段器官的差异表达分析以及sirtuins的细胞定位。

植物sirtuins主要分布在细胞核、线粒体和细胞质, 这与哺乳动物sirtuins的分布相似。推测油桃(Prunus persica)、苹果(Malus domestica)和梨(Pyrus bretschneideri)等植物的sirtuins还存在于叶绿体中(Vall-Llaura et al., 2021)。Sirtuins在植物生长发育各阶段均表达, 包括根、叶、花和果实等, 其表达方式具有特异性和差异性。Sirtuins不仅具有依赖NAD+去除H3K9乙酰化的酶活性(Wang et al., 2010; Fang et al., 2016; Liu et al., 2017), 还能去除H4K8的乙酰基(Nε-acetyl, Kac) (Tang et al., 2022)和组蛋白赖氨酸上的巴豆酰基(Nε-crotonyl, Kcr) (H3K14、H4K12、H2BK42和H2BK134) (Lu et al., 2018)、2-羟基异丁酰基(2-hydroxyisobutyrylation, Khib) (Chen et al., 2021)和丁酰基(Nε-butyryl, Kbu)。有些植物的sirtuins以非组蛋白为底物, 催化乙酰基的去除(Zhang et al., 2017) (表1), 如拟南芥中的AtMBP1 (c-myc binding protein 1) (Liu et al., 2017)、ATP合成酶和ATP/ADP载体蛋白(AAC1-3)脱氢酶)。由此可见, 植物sirtuins具有多功能酶活性, 在调节植物不同的细胞过程中发挥关键作用。

研究表明, AtSRT1可能影响拟南芥叶片愈伤组织的形成(Lee et al., 2016)。在添加HDACs活性抑制剂曲古抑菌素A (tricho statin A, TSA)的愈伤组织诱导培养基中, 叶片形成的愈伤组织出现缺陷。正常愈伤组织的转录组分析表明, 大多数组蛋白去乙酰化酶基因(如AtSRT1)表达显著上调。进一步研究表明, AtHDA9或AtHDT1突变株系的叶片愈伤组织形成能力下降。研究发现, 在乙烯信号传递过程中, AtSRT1和AtSRT2B (AtSRT2.3)可能共同催化H3K9ac的去除(Zhang et al., 2018), 从而抑制相关基因的表达。无论是否存在乙烯, AtSRT1以及AtSRT2B (AtSRT2.3)都能与ENAP1 (EIN2 nuclear associated protein 1)结合, 且乙烯能增强它们之间的相互作用。用乙烯处理拟南芥Col-0 (Columbia-0)生态型, 经转录组分析得到的下调表达基因, 在乙烯处理srt1/srt2双突变体中无响应的约占50%, 表明AtSRT1和AtSRT2B共同抑制乙烯诱导基因的转录; 与Col-0相比, srt1/srt2株系的H3K9ac水平显著增高, 而H3K14ac和H3K23ac水平无显著变化。

水稻OsSRT1对种子淀粉的形成起重要调控作用(Zhang et al., 2016)。利用染色质免疫共沉淀测序(chromatin immunoprecipitation sequence, ChIP- Seq)技术, 发现与淀粉合成和分解相关的基因启动子区域发生大量的H3K9ac去除, 导致这些基因的转录水平下调, 如RSR1 (rice starch regulator 1)、Amy3B (alpha-amylase gene 3B)、Amy3E (alpha-amylase gene 3E)、Bmy4 (beta-amylase gene 4)和Bmy9 (beta-amylase gene 9)。水稻RNAi-OsSRT1株系淀粉合成的负调控因子RSR1因启动子区域H3K9ac的富集使其表达上调, 从而抑制淀粉合成酶基因的表达, 导致淀粉合成能力下降, 引起种子淀粉含量降低和稻米品质下降; 相反, OsSRT1超表达株系的种子则发育正常。因此, OsSRT1催化H3K9ac的去除是水稻营养生长所必需的调节机制。

研究表明, OsSRT1负调节水稻叶片衰老过程(Fang et al., 2016)。茉莉酸甲酯(methyl jasmonate, MeJA)是促进水稻叶片衰老的重要调节物质, 如果其生物合成途径中相关酶的表达受阻, MeJA的合成将减少。这些酶包括果胶甲酯酶1 (pectin methylesterase 1, OsPME1)、乙酰辅酶A氧化酶4-2 (acyl-CoA oxidase 4-2, OsACX4-2)、丙二烯氧化合酶2 (allene oxide synthase 2, OsAOS2)和茉莉酸羧基甲基转移酶2 (jasmonate carboxy methyl transferase 2, OsJMT2)。在OsSRT1超表达株系中, OsPME1基因启动子区的H3K9ac富集减少, 造成OsPME1表达水平降低, 导致MeJA合成减少, 叶片衰老延迟。

研究表明, SRT1和SRT2在梨、油桃、苹果和葡萄等果实的生长发育和叶片衰老过程中发挥关键调控作用。在油桃果实发育过程中, PpSRT2的表达量无显著变化, PpSRT1的表达量仅在开花后121天比花后70天显著下调, 且在开花后70天PpSRT1的表达量显著高于PpSRT2 (Vall-Llaura et al., 2021)。在梨果实生长发育过程中, PbSRT1的表达量显著高于PbSRT2, 且两者的表达量均呈上升趋势(Vall-Llaura et al., 2021)。在苹果发育过程中, MdSRT2的表达量显著上调, 且在果实生长期和成熟期MdSRT2的表达量均显著高于MdSRT1, 而MdSRT1的表达量在整个发育过程中保持相对稳定(Vall-Llaura et al., 2021)。在葡萄叶片发育过程中, 幼叶和成熟叶中VvSRT2的转录水平普遍高于VvSRT1。在定植期幼叶和开花期成熟叶中VvSRT2的转录水平较高, 且在红叶中表达量最高(Cucurachi et al., 2012)。

拟南芥AtSRT1催化c-MYC结合蛋白AtMBP-1 (Liu et al., 2017)上的乙酰基去除。AtMBP-1是细胞质糖酵解过程中烯醇酶编码基因选择性转录翻译的氨基端缩短的蛋白质, 它是一种转录因子(Kang et al., 2013)。研究发现, AtMBP-1和H3K9ac去乙酰化协同调控拟南芥非生物胁迫响应, 表明AtMBP-1是胁迫响应途径中相关基因表达的抑制因子; 且其稳定性和对特定基因的转录活性因AtSRT1对其去乙酰化而得到提高。在拟南芥AtSRT1超表达株系中, 胁迫响应基因ZAT10、LOS2、RD29A和RD29B的启动子区域H3K9ac富集显著减少, 导致这些基因的转录下调, 从而使拟南芥对ABA、NaCl和甘露醇胁迫更加敏感(Liu et al., 2017)。研究发现, 拟南芥AtSRT2A (AtSRT2.7)对种子萌发期的耐盐性非常重要(Tang et al., 2022)。ChIP-Seq分析表明, AtSRT2A通过降低囊泡运输相关膜蛋白714 (vesicle-associated membrane protein 714, VAMP714)启动子区组蛋白H4K8位点的乙酰化水平, 使VAMP714基因的转录水平下调。VAMP714是调控耐盐性的下游靶基因, 负调控H₂O₂的囊泡转运。当VAMP714的表达受到抑制, H₂O₂的囊泡转运增强, 减弱萌发期种子对高盐的敏感性, 进而促进种子萌发。

本文的其它图/表

• 图1 蛋白质赖氨酸去酰基化过程(Narita et al., 2019)
  
• 图2 植物sirtuins的功能