Molecular Plant | 上海交大林文慧研究组揭示液泡膜质子泵V-ATPase调控BR信号平衡的机制

近日，上海交通大学生命科学技术学院林文慧研究组在Molecular Plant在线发表了题为Vacuolar H+-ATPase and BZR1 form a feedback loop to regulate the homeostasis of BR signaling in Arabidopsis的研究论文。该项工作发现，液泡膜质子泵V-ATPase 的VHA-a2和VHA-a3亚基通过结合BZR1蛋白使其停留在液泡膜边上，减少入核；同时，BZR1又结合VHA-a2和VHA-a3亚基的启动子并增强这两个基因的转录水平。VHA-a2和VHA-a3与BZR1相互调节，形成反馈环，平衡细胞内的BR信号。上海交通大学生命科学技术学院研究员林文慧为论文通讯作者，上海交通大学博士后姜雨彤为论文第一作者，上海交通大学农业与生物学院薛红卫教授参与了研究工作。

液泡是成熟植物细胞中最大的细胞器，在细胞膨压和酸度维持、物质储存和离子运输中起关键作用。液泡行使功能需要依靠两种液泡膜质子泵提供初级电动势，分别是液泡膜焦磷酸酶（V-PPase）和液泡膜ATP酶（Vacuolar H+-ATPase, V-ATPase）。近期研究表明，液泡是囊泡运输途径的重要组成部分（Uemura & Ueda., 2014），影响某些信号通路的关键组分的胞内运输（Ranocha et al., 2013; Yu et al., 2016; Liu et al., 2018）进而调控这些信号及其相关的发育过程（Casanova-Sáez et al., 2019; Xia et al., 2020）。林文慧研究组前期工作发现，液泡和液泡膜蛋白调控雌配子体和胚胎发育（Hu & Yu et al., The Plant Cell, 2023; Jiang et al., New Phytologist, 2020; Jiang & Zheng et al., 2022, Frontiers in Plant Science），调控机制之一就是液泡膜质子泵影响生长素输出载体PIN1蛋白的胞内运输。液泡相关途径在其他激素中的作用及其调控机制的研究相对较少。

油菜素甾醇（BR）是重要的植物激素，BR水平增高时，位于细胞膜上的受体复合体启动信号转导，BR信号通路末端的重要转录因子BZR1及其同源蛋白在细胞核中的量增加、蛋白非磷酸化比例增加、活性增强，对下游靶基因的转录调控增强，植物呈现出较高的BR响应。虽然BZR1的核质定位对BR信号很重要，近年来BZR1的亚细胞定位也已取得系列进展、发现了一系列影响BZR1核质分布的因子（Gampala et al., 2007; Tang et al., 2011; Wang et al., 2021），但其确切机制仍未厘清。  

林文慧研究组该项研究首先发现液泡膜质子泵VHA-a2和VHA-a3亚基的双突变体vha-a2 vha-a3 （vha2）对BR处理更敏感，vha2中的BZR1的总量以及非磷酸化BZR1的比例增加，暗示vha2中BR信号水平比野生型高。遗传、分子、生化等一系列实验进一步证明了VHA-a2和VHA-a3的缺失增强了BR信号。系列蛋白互作实验包括FRET-FLIM证明VHA-a2和VHA-a3与BZR1蛋白直接互作，且VHA-a2和VHA-a3与BZR1蛋白在液泡膜具有共定位，推测VHA-a2和VHA-a3与BZR1互作使部分BZR1停留在液泡膜边上，核内非磷酸化的BZR1比例降低，BR信号下降。此外，一系列实验表明，核定位的BZR1可直接与VHA-a2和VHA-a3启动子中的NN-BRRE-core motifs和E-box motifs结合，促进VHA-a2和VHA-a3的转录。

综上所述，V-ATPase和BZR1形成了一个反馈环来调节BR信号的平衡：正常情况下，一定量的VHA-a2和VHA-a3定位在液泡膜上，结合BZR1并使部分BZR1蛋白停留在液泡膜边上。BZR1蛋白量以及核内非磷酸化的BZR1维持一定水平，VHA-a2和VHA-a3的转录水平适中，维持正常的VHA-a2和VHA-a3的蛋白量和功能，二者都使BR信号维持在正常水平上。在VHA-a2和VHA-a3缺失突变体中，BZR1不与VHA-a2和VHA-a3结合停留在液泡膜边上，核内非磷酸化的BZR1蛋白比例升高，BZR1活性增强，虽然BZR1促进VHA-a2和VHA-a3的转录，但缺失突变体中VHA-a2和VHA-a3的转录水平无法升高，因此不能产生VHA-a2和VHA-a3来反馈抑制BR信号，vha2的BR信号处于较高的水平。上述研究阐明了BZR1核质定位的新机制，提出了细胞内BR信号稳态调节的新线索，拓展了对液泡膜质子泵功能的认知，为研究液泡和液泡膜蛋白参与植物激素信号的机制提供了新视角。

图1. V-ATPase和BZR1形成反馈环调节BR信号的模式图

此外，该项研究还显示与VHA-a2和VHA-a3结合并停留在液泡膜边上的BZR1仅占细胞质中的BZR1的一部分，因此已经获得的结果不能完全解决BZR1的细胞质定位机制问题。还有vha2中的BZR1总量上升的机制以及vha2中核内非磷酸化的BZR1比例升高的机制，也需要将来进一步研究。可推测植物体内复杂的信号转导机制和关键蛋白的亚细胞定位可能需要细胞内膜系统与细胞器协同完成。激素信号的细胞学调控机制值得深入探索。

原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1674205223003210