Mol. Plant | 湖南大学于峰课题组发现一条外界信号动态调节蛋白质合成的通路

近日，Molecular Plant杂志在线发表了湖南大学化学生物传感与化学计量国家重点实验室湖南大学生物学院于峰教授课题组完成的题为 The RALF1–FERONIA complex phosphorylates eIF4E1 to promote protein synthesis and polar root hair growth 的研究论文，报道了拟南芥受体蛋白激酶FERONIA响应其配体RALF1小肽信号将翻译起始因子eIF4E1磷酸化后促进蛋白质翻译，从而调节根毛细胞极性生长的机制。

面对动态变化的环境信号，植物如何响应信号并精准调节其细胞大小以及形状，从而实现趋利避害是最基本的生命科学问题。细胞生长，简单来说就是一个细胞不断合成并利用生长原料（比如蛋白质）以维持其体积扩大、形状变化的过程【1】。细胞极性生长是一种特化的细胞生长形式，指细胞的长度生长大于其宽度生长。比如神经元极性发育，花粉管和根毛细胞伸长等都是典型的细胞极性生长。研究表明，蛋白质在时间和空间上的特异性分布是调节细胞极性生长的关键因素【1-3】。但环境变化时，植物细胞如何对蛋白质合成实现时空特异性调控的分子机理并不清楚。

拟南芥受体蛋白激酶FERONIA（FER）与其配体快速碱化因子RALF1小肽组成的信号通路是调节植物细胞生长发育与环境适应性的关键组分【4-7】。近年，于峰教授课题组及其合作者围绕FER信号网络开展了系列研究，揭示了FER信号通路在植物逆境响应【8-10】, 细胞生长【11-13】，开花时间及种子大小、产量 【14,15】，能量代谢【10,16】和RNA代谢【17】 中的作用。于峰教授课题组2018年在PLOS Biology杂志上发表了题为EBP1 nuclear accumulation negatively feeds back on FERONIA-mediated RALF1 signaling的研究论文（点击查看之前的报道：湖南大学于峰课题组揭示FERONIA 信号传递的膜-浆-核通路），表明RALF1-FER信号通路促进EBP1 mRNA的翻译，从而促进蛋白积累，调节细胞核内基因表达【13】，这一线索强烈暗示RALF1-FER复合物可能参与特定mRNA的翻译调节，影响蛋白合成。以此为线索，于峰教授课题组以植物根毛为研究模型，发现FER响应其配体RALF1小肽信号将翻译起始因子eIF4E1磷酸化后促进蛋白质翻译从而调节植物根毛极性生长。

利用具极性生长特征的根毛作模型，该研究首先观察到RALF1-FER可以促进蛋白质翻译，加快根毛生长。进一步探究该现象背后的机制发现，RALF1可快速促进由受体激酶FER介导的翻译起始因子eIF4E1的磷酸化，磷酸化后的eIF4E1对一些根毛极性生长相关基因（RH gene）的mRNA绑定能力显著增强，从而招募多聚核糖体与mRNA结合并提升特定根毛生长相关基因（比如ROP2，RSL4）的蛋白合成速率【18,19】。FER可对eIF4E1多个位点进行磷酸化，通过对拟南芥eIF4E1的蛋白结构同源建模发现被FER磷酸化的Tyr118位点能直接与mRNA 5’ 端帽子结构互作，而Thr140则位于eIF4E1与mRNA结合的位置，这很好地解释了FER如何调节eIF4E1的mRNA结合能力。值得注意的是，FER和eIF4E1各自的磷酸化水平是影响其互作的重要因素。FER的磷酸化能加强对eIF4E1的招募，而被磷酸化后的eIF4E1则会与FER解离，去更高效的绑定mRNA并促进蛋白质合成。

有意思的是，RALF1，FER，eIF4E1三个蛋白在根毛中都有典型的极性定位现象，且eIF4E1的极性定位受到RALF1-FER信号复合体的调控。另外，小G蛋白ROP2作为调控细胞极性生长的关键蛋白，ROP2的蛋白质合成和极性定位均受RALF1-FER-eIF4E1调节，暗示极性定位的RALF1-FER-eIF4E1复合物可以将特定根毛极性生长相关基因的mRNA招募到细胞局部快速翻译，从而维持特定蛋白质的时空特异性分布，调控细胞的极性生长。

该研究还发现，RALF1启动子上含有典型的可被转录因子RSL4绑定的元件RH-specific cis-element (RHE) 【20】 。 当RALF1-FER-eIF4E1信号通路促进RSL4蛋白质积累到一定的水平时，RSL4蛋白可绑定RALF1的启动子抑制RALF1转录，从而抑制RALF1-FER-eIF4E1信号通路，根毛生长停止。这说明RALF1-FER-eIF4E1-RSL4形成了一个正反调节通路共同控制植物根毛细胞的最终大小和形状。

图1 RALF1-FER-eIF4E1复合体调节根毛极性生长的工作模型

综上所述，该研究首次揭示了受体激酶FER接收RALF1信号后如何参与mRNA翻译调控，并精准调节蛋白质的时空特异性积累的机理，展示了一个较为完善的植物如何响应外界信号从而快速调节蛋白质合成并影响细胞生长和极性的工作模型。

湖南大学化学生物传感与化学计量国家重点实验室，湖南大学生物学院于峰教授为该论文的通讯作者，湖南大学生物学院在读博士研究生朱思睿，阿根廷莱洛尔研究所José Manuel Estévez教授为该论文共同第一作者，南方科技大学郭红卫教授等参与了该项研究。本研究得到了国家自然科学基金，中国科协青年托举人才项目，杂交水稻国家重点实验室开放课题等经费的资助。