生物信息学
植物营养学术交流

真核细胞与磷酸盐浓度调控相关结构域SPX 的最新研究进展

SPX结构域的表面电势分布图

SPX结构域的表面电势分布图

摘要:

磷大多以无机磷酸盐的形式被真核细胞吸收利用。但是细胞是如何感受细胞内外的磷酸盐浓度的相关研究却比较少。最新的研究发现,SPX结构域通过与随磷酸盐浓度变化而浓度发生改变的多磷酸盐肌醇信号分子相结合感受磷酸盐浓度的变化[1]。研究人员通过体外实验验证了关键表面残基的突变会影响多磷酸盐肌醇的结合[6],从而影响多磷酸盐在酵母细胞内的合成以及磷酸根离子在拟南芥体内的转运。在植物体内多磷酸盐会引起带有SPX结构域的蛋白和转录因子的复合体发生有规律的磷饥饿应答。进而可以确定多磷酸盐肌醇和细胞质内的磷酸根浓度有相关关系,多磷酸盐肌醇将这种磷酸盐浓度的信息传递给SPX结构域,并使得该结构域和众多蛋白一起调控真菌、植物、动物的磷的吸收、转运和存储[4][5]

1.SPX结构域作用方式图解

 

2.研究思路

3.研究方法

3.1.对蛋白进行纯化结晶,扫描结构

图1 标注有核心螺旋(用蓝色标出)的载脂蛋白spxscvtc4的带状图[1]

注:缠绕着的螺旋从N端到C端用黄色到红色的渐变表示。

研究者纯化了真菌、植物、和人体的三种SPX结构域,并对晶体结构进行了扫描。如上图所示,A表示了SPX结构域的几个核心螺旋,B表示了三种不同功能的蛋白上的SPX结构域。

图2 SPX结构域的表面静电势图[1]

上图是SPX结构域的表面电势分布图,正电荷集中的区域反映了磷酸根、磷酸根基团或者其它阴离子的结合位点。

图3 硫酸根离子结合到SPXHsXPR1蛋白的基本表面簇上[1]

注:参与作用的残基用加粗的形式表示(PBC,加粗;KSC,斜体),远端的赖氨酸残基(SC)也在旁边标明。残基的编号和SPXHsXPR1相关(SPXScVtc2在括号内标出)

上图展示了硫酸根与SPX表面簇的结合情况。

3.2构建SPX结构域不同位点的突变

表1 ?SPXScVtc2 和 SPXHsXPR1的野生型和突变体和不同配体的核磁共振滴定结果[1]

研究者构建了酵母菌和拟南芥不同功能蛋白的SPX结构域不同位点的突变体。上图展示的是对野生型和突变体SPX结构域的核磁共振滴定结果,可见赖氨酸表面簇的突变并没有造成Kd的改变。并且该结构域对于硫酸根和磷酸根的结合没有选择性(红圈圈出)。从而排除SPX结构域直接感受磷酸根浓度的可能。

图4 依赖VTC蛋白的多磷酸合成对于Pi, SO42-, InsP6 和 5-InsP7浓度增长的响应[1]

如上图所示,研究者去除产生肌醇多磷酸盐的酶,再对比肌醇多磷酸盐和磷酸根对酵母VTC(液泡运输载体)驱动的聚磷酸盐储存的影响。由图像可知肌醇多磷酸盐对反应的促进作用比磷酸根和硫酸根的作用大好几个数量级。

表2 通过等温滴定量热法和微量热迁移测出的不同蛋白的SPX结构域和5InsP7 以及 InsP6的不同亲和力[1]

上图展示了两种肌醇多磷酸盐与SPX结构域结合的Kd值,亲和力比磷酸根和硫酸根高很多。

 

5 肌醇多磷酸盐和SPX结构域结合状况的扫描条带图[1]

注:(蓝色网表示的是电子密度,虚线表示相互作用力)

如上图所示,肌醇多磷酸盐和结构域上的α螺旋和氨基酸残基簇有着复杂的相互作用。

图6 等温滴定量热法对于PBC 和 KSC 的 SPXScVtc2突变体以及野生型和InsP6配体的测定结果[1]

左图为肌醇多磷酸盐肌醇多磷酸盐对于野生型和突变体(肌醇多磷酸盐结合位点突变体)的等温滴定量热法结果,这种测定方法的原理是通过测定配体过程中吸收或放出的热量量化反应速度与剧烈程度[7]。可见野生型与配体的反应比与突变体的剧烈得多。

右图是该项研究[1]中制造的突变体的说明。

图7 在有无0.5 ?M 的5InsP7存在的情况下带有含有SPX基本表面簇的Vtc3 和 Vtc4亚基的相关变异的VTC复合体的被分离出来的液泡对于多磷酸盐的合成情况[1]

上图展示了一个正向突变的情况。图表展示的是在有无肌醇多聚磷酸盐的情况下不同突变体的液泡VTC[2]载体聚合体合成多聚磷酸盐的情况。注意黄色三角形的折线,赖氨酸向丙氨酸的突变促进了多磷酸盐的合成。

 

3.3拟南芥栽培实验

图8 拍摄的28日龄的T2 和pho1-2转基因株系[1]

注:受测植株带有promPHO1::PHO1:GFP(被标记的野生型)三个基因,以及它们的突变体

不同的拟南芥PHO1蛋白突变体(突变位点不同)的盆栽实际状况

以下是突变位点说明:

PBC:磷酸盐结合簇

KSC:赖氨酸表面簇

△N15:α1螺旋突变体

Pho1:直接敲除整个磷转运蛋白基因

SC:控制组,排除无关的变量因素

图9 突变体株系地上部的磷含量[1]

不同拟南芥突变体磷含量的情况,与拟南芥生长状况一致。

图10 一般化的在不同pho1-2株系的突变体中磷饥饿基因的表达情况[1]

不同突变体磷饥饿基因的表达情况,与拟南芥生长状况一致。

3.4植物含有SPX结构域的蛋白和PHR磷饥饿反应转录因子之间的互作

图11 在肌醇焦磷酸盐和磷酸盐分别存在的情况下,在试管中,拥有C末端HA标签的完全长度的OsSPX4和完全长度没有标记的磷饥饿反应相关蛋白OsPHR2的反应情况[1]

上图是将SPX蛋白、PHR蛋白和磷酸、肌醇多聚磷酸盐放在一起跑胶的电泳图。由图可知只有在带有SPX结构域的相关蛋白、肌醇多磷酸盐和磷饥饿转录因子同时存在的时候才会出现磷饥饿应答。

图12 等温滴定量热法研究不同配体与osspx4 / OsPHR2和(5 insp7,黑色;insp6,暗蓝;1,3,4,5,6 – insp5,品红;osspx4 – PBC突变体与insp6,亮蓝)的滴定[1]

注:(*表示数据通过微尺度热泳获得)

上图是在SPX与PHR转录因子单独存在或者共同存在的情况下,用不同的配体(SPX、磷酸、多聚磷酸盐、肌醇多聚磷酸盐)滴定的等温线滴定热值。除了和普通磷酸盐的对照外,实验人员还引入了PBC突变体的对照,在图中分别用粉色和蓝色标出。进一步揭示了肌醇多磷酸盐和磷酸盐结合簇在SPX结构域感受磷浓度的过程中起到的重要作用[8]

4.结论和推测

细胞质内的多磷酸盐肌醇浓度和细胞质内的磷酸根浓度有相关关系,多磷酸盐肌醇将这种磷酸盐浓度的信息传递给SPX结构域,并使得该结构域和众多蛋白一起调控真菌、植物、动物的磷的吸收、转运和存储。研究人员推测高可塑性的表面结合簇(磷酸盐结合簇和赖氨酸表面簇)使得SPX结构域可以结合不同的多磷酸盐肌醇分子,但是这需要进一步的分子水平上的实验证明。这种类型的磷浓度信号途径可以为粮食作物高效利用磷元素的研究提供新的思路[9][10]

参考文献:

[1]Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains 肌醇多磷酸盐信号分子感受区域控制了真核细胞内的磷酸盐浓度平衡Article in Science April 2016.

[2]J. Liu, L. Yang, M. Luan, Y. Wang, C. Zhang, B. Zhang, J. Shi, F. G. Zhao, W. Lan, S. Luan, A vacuolar phosphate transporter essential for phosphate homeostasis in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, E6571–E6578 (2015).

[3] B. S. Park, J. S. Seo, N.-H. Chua, NITROGEN LIMITATION ADAPTATION recruits PHOSPHATE2 to target the phosphate transporter PT2 for degradation during the regulation of Arabidopsis phosphate homeostasis. Plant Cell 26, 454–464 (2014).

[4] S. Wege, G. A. Khan, J. Y. Jung, E. Vogiatzaki, S. Pradervand, I. Aller, A. J. Meyer, Y. Poirier, The EXS Domain of PHO1 Participates in the Response of Shoots to Phosphate Deficiency via a Root-to-Shoot Signal. Plant Physiol. 170, 385–400 (2016).

[5] A. Legati, D. Giovannini, G. Nicolas, U. López-Sánchez, B. Quintáns, J. R. Oliveira, R. L. Sears, E. M. Ramos, E. Spiteri, M. J. Sobrido, ?. Carracedo, C. CastroFernández, S. Cubizolle, B. L. Fogel, C. Goizet, J. C. Jen, S. Kirdlarp, A. E. Lang, Z. Miedzybrodzka, W. Mitarnun, M. Paucar, H. Paulson, J. Pariente, A. C. Richard, N. S. Salins, S. A. Simpson, P. Striano, P. Svenningsson, F. Tison, V. K. Unni, O. Vanakker, M. W. Wessels, S. Wetchaphanphesat, M. Yang, F. Boller, D. Campion, D. Hannequin, M. Sitbon, D. H. Geschwind, J. L. Battini, G. Coppola, Mutations in XPR1 cause primary familial brain calcification associated with altered phosphate export. Nat. Genet. 47, 579–581 (2015).

[6] J. Martinez, V. Truffault, M. Hothorn, Structural Determinants for Substrate Binding and Catalysis in Triphosphate Tunnel Metalloenzymes. J. Biol. Chem. 290, 23348–23360 (2015).

[7] Pavlovic, D. T. Thakor, L. Bigler, M. S. Wilson, D. Laha, G. Schaaf, A. Saiardi, H. J. Jessen, Prometabolites of 5-Diphospho-myo-inositol Pentakisphosphate. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 54, 9622–9626 (2015).

[8] 水稻OsSPX4蛋白调控磷中心调控因子OsPHR2的机制研究. 王宇光. 浙江大学博士论文. 2014

[9] 基于多维组学数据挖掘研究拟南芥AtSPX1基因的新功能以及OsSPX1对苗期水稻抗氧化性的影响. 王春超. 中国农业大学博士论文. 2015

[10] 水稻OsSPX家族基因OsSPX1和OsSPX3在磷信号传导途径中的功能研究. 应珊. 浙江大学博士论文. 2010

获取原文请联系作者

进一步猜测,我们能否通过对生物对磷酸盐浓度的感知途径的研究研制出具有这种生物功能的传感器,进而可以快速获取各种环境中的磷元素浓度。

赞(0)
转载请联系:superxyz@qq.vip.com南农肥料网 » 真核细胞与磷酸盐浓度调控相关结构域SPX 的最新研究进展

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址

南农肥料网,为您提供最贴心的服务

欢迎关注知乎主页欢迎关注github主页