核糖体蛋白 核糖体蛋白参与植物细胞器内含子剪切

PNAS | PNAS | 打破认知，核糖体蛋白参与植物细胞器内含子剪切

原创

BAP BioArt植物 今天

责编 | 奕梵

线粒体和叶绿体是包含遗传信息的半自主性细胞器，根据内共生学说，两者都是由细菌起源。在原始内共生体转向细胞器的共进化过程中，伴随着其遗传信息大量转向细胞核，逐渐失去遗传自主性

【1,2】

。因此，现代线粒体和叶绿体基因的正确表达依赖于细胞核编码蛋白质，这种古细菌和真核生物之间的相互作用导致了细胞器基因表达机制比现代细菌的更为复杂

【3,4】

。植物细胞器表达调控，主要发生在转录后水平，包括C-to-U RNA编辑，内含子剪切，转录本的稳定性和RNA翻译等步骤。迄今为止，少数几类核编码的RNA结合蛋白被发现在线粒体和/或叶绿体RNA表达中发挥作用，比如PPR蛋白

(pentatricopeptide repeat)

，RRM蛋白

(RNA recognition motif)

，MORF蛋白

(multiple organellar RNA editing factors)

, CRM蛋白

(chloroplast RNA splicing and ribosome maturation)， PORR蛋白(plant organellar RNA recognition)

以及内含子成熟酶

(maturases)

，但这些蛋白是如何参与RNA转录后加工的分子机制还不甚清楚。

核糖体蛋白

(Ribosomal Protein, RP）

，顾名思义，是核糖体的基本组成成分，与核糖体RNA结合共同组成核糖体，行使蛋白质合成的功能，近年来发现RP除了参与蛋白质合成以外，还有着其它生物学功能。近日，法国国家农业科学院IJPB研究所Hakim Mireau团队在PNAS发表了题为 Rerouting of ribosomal proteins into splicing in plant organelles的研究论文，首次报道了拟南芥中uL18蛋白家族成员在进化过程中发生了功能分化，其中两个成员uL18-L1和uL18-L8不再参与细胞器核糖体组成，而是分别参与线粒体和叶绿体II 型内含子的剪接。该研究表明，核糖体蛋白的RNA结合能力可以被转移到参与细胞器的内含子剪切因子上。

在该研究中，作者首先注意到uL18蛋白家族包含了8个成员，它们的氨基酸序列差异非常大，但在C端都包含结构保守的RNA结合结构域

(L18pL5e结构域)

。进一步发现，uL18家族的其中两个成员

(uL18c 和uL18m)

应分别为叶绿体和线粒体核糖体蛋白，参与mRNA翻译过程。其它六个成员序列差异性较大，因此被命名为uL18-like蛋白， 亚细胞定位发现其中两个定位于叶绿体，四个定位于线粒体。

为了深入研究 uL18-like蛋白的生物学功能，作者解析了uL18-L1和uL18-L8的T-DNA插入突变体，发现与野生型植株相比，ul18-l1突变体的生长发育缓慢，植株矮小；而ul18-l8突变体的叶绿素和类胡萝卜素含量显著减少，且光合作用效率降低。对突变体的线粒体和叶绿体转录本分析发现，uL18-L1和uL18-L8的功能缺失，分别影响了线粒体nad5内含子4和叶绿体rps12 内含子1的正确剪接。为了测试uL18-L1和uL18-L8蛋白是否还保留了与线粒体或叶绿体核糖体结合的能力，作者利用了密度梯度沉降测定了含有这两种蛋白的复合物的大小，发现它们要比线粒体核糖体和叶绿体核糖体蛋白复合物小得多，因此推测这两个uL18-Like蛋白与细胞器核糖体组成无关。作者又进一步鉴定了uL18-L1和uL18-L8相结合的内含子RNA，免疫共沉淀-qPCR结果表明，uL18-L1与nad5内含子4特异结合，而rps12 内含子1在uL18-L8免疫沉淀物中显著富集。

该研究率先揭示了核糖体蛋白的RNA结合能力可以“绕行”用以产生作用于内含子剪接的新蛋白因子。此外，核糖体蛋白往往存在于多基因家族中，通常认为不同的核糖体蛋白家族成员只是在特定的生长或发育条件下表达。在此项研究中，作者揭示了这种观点并不总是正确的，核糖体蛋白之间存在重要的功能分化，而uL18蛋白就是其中一个很好的例子，可能将为更详细地探索核糖体和核糖体类似蛋白之间的功能多样性奠定了基础。此外，该研究也为在进化过程中被招募来协助细胞器II型内含子剪接蛋白因子的多样性增添了新的内容。

法国国家农业科学院博士后王传德博士为论文的第一作者，法国昂热大学Dimitri Tolleterb和David Macherel博士也参与了部分工作。

参考文献

1. J. Martijn, J. Vosseberg, L. Guy, P. Offre, T. J. G. Ettema, Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria. Nature 557, 101–105 (2018).

2. S. B. Gould, R. F. Waller, G. I. McFadden, Plastid evolution. Annu. Rev. Plant Biol. 59, 491–517 (2008).

3. A. Barkan, Expression of plastid genes: Organelle-specific elaborations on a prokaryotic scaffold. Plant Physiol. 155, 1520–1532 (2011).

4. K. Hammani, P. Giegé, RNA metabolism in plant mitochondria. Trends Plant Sci. 19, 380–389 (2014).

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2004075117

责编 | 奕梵

线粒体和叶绿体是包含遗传信息的半自主性细胞器，根据内共生学说，两者都是由细菌起源。在原始内共生体转向细胞器的共进化过程中，伴随着其遗传信息大量转向细胞核，逐渐失去遗传自主性

【1,2】

。因此，现代线粒体和叶绿体基因的正确表达依赖于细胞核编码蛋白质，这种古细菌和真核生物之间的相互作用导致了细胞器基因表达机制比现代细菌的更为复杂

【3,4】

。植物细胞器表达调控，主要发生在转录后水平，包括C-to-U RNA编辑，内含子剪切，转录本的稳定性和RNA翻译等步骤。迄今为止，少数几类核编码的RNA结合蛋白被发现在线粒体和/或叶绿体RNA表达中发挥作用，比如PPR蛋白

(pentatricopeptide repeat)

，RRM蛋白

(RNA recognition motif)

，MORF蛋白

(multiple organellar RNA editing factors)

, CRM蛋白

(chloroplast RNA splicing and ribosome maturation)， PORR蛋白(plant organellar RNA recognition)

以及内含子成熟酶

(maturases)

，但这些蛋白是如何参与RNA转录后加工的分子机制还不甚清楚。

核糖体蛋白

(Ribosomal Protein, RP）

，顾名思义，是核糖体的基本组成成分，与核糖体RNA结合共同组成核糖体，行使蛋白质合成的功能，近年来发现RP除了参与蛋白质合成以外，还有着其它生物学功能。近日，法国国家农业科学院IJPB研究所Hakim Mireau团队在PNAS发表了题为 Rerouting of ribosomal proteins into splicing in plant organelles的研究论文，首次报道了拟南芥中uL18蛋白家族成员在进化过程中发生了功能分化，其中两个成员uL18-L1和uL18-L8不再参与细胞器核糖体组成，而是分别参与线粒体和叶绿体II 型内含子的剪接。该研究表明，核糖体蛋白的RNA结合能力可以被转移到参与细胞器的内含子剪切因子上。

在该研究中，作者首先注意到uL18蛋白家族包含了8个成员，它们的氨基酸序列差异非常大，但在C端都包含结构保守的RNA结合结构域

(L18pL5e结构域)

。进一步发现，uL18家族的其中两个成员

(uL18c 和uL18m)

应分别为叶绿体和线粒体核糖体蛋白，参与mRNA翻译过程。其它六个成员序列差异性较大，因此被命名为uL18-like蛋白， 亚细胞定位发现其中两个定位于叶绿体，四个定位于线粒体。

为了深入研究 uL18-like蛋白的生物学功能，作者解析了uL18-L1和uL18-L8的T-DNA插入突变体，发现与野生型植株相比，ul18-l1突变体的生长发育缓慢，植株矮小；而ul18-l8突变体的叶绿素和类胡萝卜素含量显著减少，且光合作用效率降低。对突变体的线粒体和叶绿体转录本分析发现，uL18-L1和uL18-L8的功能缺失，分别影响了线粒体nad5内含子4和叶绿体rps12 内含子1的正确剪接。为了测试uL18-L1和uL18-L8蛋白是否还保留了与线粒体或叶绿体核糖体结合的能力，作者利用了密度梯度沉降测定了含有这两种蛋白的复合物的大小，发现它们要比线粒体核糖体和叶绿体核糖体蛋白复合物小得多，因此推测这两个uL18-Like蛋白与细胞器核糖体组成无关。作者又进一步鉴定了uL18-L1和uL18-L8相结合的内含子RNA，免疫共沉淀-qPCR结果表明，uL18-L1与nad5内含子4特异结合，而rps12 内含子1在uL18-L8免疫沉淀物中显著富集。

该研究率先揭示了核糖体蛋白的RNA结合能力可以“绕行”用以产生作用于内含子剪接的新蛋白因子。此外，核糖体蛋白往往存在于多基因家族中，通常认为不同的核糖体蛋白家族成员只是在特定的生长或发育条件下表达。在此项研究中，作者揭示了这种观点并不总是正确的，核糖体蛋白之间存在重要的功能分化，而uL18蛋白就是其中一个很好的例子，可能将为更详细地探索核糖体和核糖体类似蛋白之间的功能多样性奠定了基础。此外，该研究也为在进化过程中被招募来协助细胞器II型内含子剪接蛋白因子的多样性增添了新的内容。

法国国家农业科学院博士后王传德博士为论文的第一作者，法国昂热大学Dimitri Tolleterb和David Macherel博士也参与了部分工作。

参考文献

1. J. Martijn, J. Vosseberg, L. Guy, P. Offre, T. J. G. Ettema, Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria. Nature 557, 101–105 (2018).

2. S. B. Gould, R. F. Waller, G. I. McFadden, Plastid evolution. Annu. Rev. Plant Biol. 59, 491–517 (2008).

3. A. Barkan, Expression of plastid genes: Organelle-specific elaborations on a prokaryotic scaffold. Plant Physiol. 155, 1520–1532 (2011).

4. K. Hammani, P. Giegé, RNA metabolism in plant mitochondria. Trends Plant Sci. 19, 380–389 (2014).

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2004075117