Plant Biology｜小肽OsS1Fa1的跨膜结构域决定了其亚细胞定位和水稻的抗旱性

文摘 2024-09-02 14:46 中国香港

水稻 / 干旱胁迫 / 结构域 / 拟南芥

小肽通常指的是由少于100个氨基酸组成的蛋白质，根据它们的来源可以分为三类。第一类是由原始前体蛋白加工产生的肽。第二类是从独立的小开放阅读框直接翻译出来的肽。第三类则是由正常大小蛋白质的5′或3′ UTR区域内的小开放阅读框编码的肽。

高通量测序技术已在各种植物基因组中预测出大量的小肽编码基因，并且它们的功能逐渐引起了关注。已知小肽参与了多种生长发育过程，例如细胞增殖、根部发育、花粉可育性、气孔开闭、矿物质元素吸收与调节、抗病虫害，以及环境适应性等。

小肽S1Fa有76个氨基酸，由一个开放阅读框翻译而来。它最初在菠菜（Spinacia oleracea L.）中被鉴定出来，并且在双子叶植物和单子叶植物中保守存在。菠菜S1Fa与编码叶绿体核糖体蛋白的核基因rps1的启动子结合。在幼苗、叶片和根部发育过程中，S1Fa基因均有表达。

最近的一项研究表明，水稻中OsS1Fa1基因的表达受到干旱诱导，并且在拟南芥中过表达OsS1Fa1能够增强对干旱胁迫的耐受性。OsS1Fa1中有四个不同的基序：一个核定位信号（NLS），一个DNA识别基序，一个跨膜结构域，以及一个SUMO化基序。这些基序表明，S1Fa可能在细胞核和膜上发挥作用，并且其稳定性和活性可能通过翻译后修饰来调控。然而，这些保守基序的生物学功能至今尚未被阐明。

2024年8月23日，Plant Biology上线了一篇关于小肽参与抗旱性的研究论文，“The transmembrane domain of the rice small protein OsS1Fa1 is responsible for subcellular localization and drought tolerance”。该研究探讨了小肽蛋白OsS1Fa1中四个不同基序的潜在作用，并发现其中的跨膜结构域决定了该蛋白的亚细胞定位和耐旱性。

图1. OsS1Fa1的亚细胞定位分析

该研究利用颗粒轰击和细菌侵染后进行的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），分析了OsS1Fa1的亚细胞定位，发现OsS1Fa1定位于核膜和细胞质膜上。

图2.水稻组织中OsS1Fa1和OsS1Fa2的表达分析以及大肠杆菌中带有His标签的重组蛋白的检测

随后的突变体和细胞组分分析显示，是跨膜结构域决定了OsS1Fa1的亚细胞定位。

图3. 水稻和拟南芥中S1Fa蛋白的氨基酸序列、3D预测结构、亚细胞定位以及OsS1Fa1的SUMO化修饰

此外，水稻同源蛋白OsS1Fa2以及拟南芥直系同源蛋白AtS1Fa1、AtS1Fa2和AtS1Fa3也表现出与OsS1Fa1相似的定位模式。

为了研究OsS1Fa1的SUMO化修饰，还进行了大肠杆菌体内重组SUMO化实验。发现OsS1Fa1与小型泛素相关修饰因子（SUMO）发生了结合，经历了SUMO化。

图4. 过表达和突变OsS1Fa1蛋白的转基因拟南芥的耐旱性测定

对转基因植株的分析显示，在拟南芥中过表达OsS1Fa1的跨膜结构域突变体OsS1Fa1(TMm1)，并未增强干旱胁迫耐受性，而过表达OsS1Fa1则提高了转基因拟南芥的抗旱性。

图5. 通过细胞分离实验分析OsS1Fa1的亚细胞定位

综上所述，该研究的数据表明，水稻和拟南芥的S1Fa1蛋白定位于核膜和细胞质膜上，且它们的跨膜结构域决定了此类蛋白的亚细胞定位，并在干旱胁迫耐受性中起重要作用。

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