诺奖成果，两篇Nature揭示了植物感知氧的机制！动植物是否保守？

2019年诺贝尔生理学或医学奖授予William G. Kaelin教授、Peter J. Ratcliffe教授、以及Gregg L. Semenza教授，，以表彰这三位科学家在细胞低氧感知与适应研究上所做出的突出贡献。

众所周知，绝大多数的动物都离不开氧气。然而氧气的供应需要在一定的水平，不可多也不可少。在生物的进化过程中，发展了一系列调控机制来控制氧气的平衡。如当人体中长期处在低氧环境中时，肾脏就会合成EPO激素，进而制造更多的红细胞，以此来应对低氧问题。研究发现，低氧诱导因子1（HIF-1）转录因子能够结合EPO基因启动子上的低氧应答元件，进而调控EPO的水平。在富氧环境下，氧原子在双加氧酶作用下和脯氨酸的一个氢原子结合，形成羟基化，进而被泛素化进行降解。当长期低氧时，细胞内氧含量也会下降，于是HIF-1α无法发生羟基化，也就不会被泛素化，故能调控EPO基因的表达，应对低氧的工作状态。（如下图）。

生物体感知氧气的通路示意图

综述所述，动物细胞感知氧气的分子机制主要建立在HIF-1转录因子的羟基化及后续的泛素化进而降解得到平衡氧气的浓度。然而，在植物中，如遭水淹没导致氧气含量的下降，进而调控基因转录，从而促进无氧代谢，最终维持底物水平ATP的生产。那么其感应低氧浓度的机制又是如何呢？

2011年11月，Nature杂志在线背靠背发表了两篇论文，揭示了植物感应氧的分子机制-N末端规则途径（N-end rule pathway）。它们分别是：

1. 来自英国诺丁汉大学Michael J. Holdsworth课题组题为“Homeostatic response to hypoxia is regulated by theN-end rule pathway in plants”的研究论文。

2. 来自德国马普研究所 Joost T. van Dongen课题组题为“Oxygen sensing in plants is mediated by an N-endrule pathway for protein destabilization”的研究论文。

N末端规则途径最是导致蛋白水解的一系列生化反应，因为它取决于蛋白质或肽中暴露的N末端氨基酸残基。在这两篇论文中都发现了拟南芥乙烯响应因子VII类（ERF-VII）转录因子及N端规则途径组分是作为植物氧气感应机制发挥功能。研究发现，大多数ERF-VII转录因子在倒数第二个位置（MCGGAI）具有一个由半胱氨酸残基的N末端结构域。该氨基酸序列提供了被特定的氨肽酶识别的分子标记，以去除初始的甲硫氨酸，从而使半胱氨酸暴露为N末端残基。半胱氨酸可以被植物半胱氨酸氧化酶（PCO）氧化，使用氧气作为共底物以生成亚磺酸加合物。该部分继而用作精氨酸转移酶的底物生成精氨酸。PROTEOLYSIS（PRT）蛋白可识别暴露的N末端精氨酸的存在，该蛋白是单亚基E3泛素连接酶，可将泛素单元添加到近端赖氨酸残基上。一旦多泛素化，ERF-VII蛋白就可以通过26S蛋白酶体降解（如下图）。因此，这种机制提供了一种诱导细胞中依赖氧的分子反应的有效方法：氧利用率的降低会阻止Cys2残基的氧化，从而导致ERF-VII在细胞核中积累。即有氧情况下ERF-VII转录因子会降解，而无氧的情况下ERF-VII在细胞核中积累，调控植物无氧响应。

植物中N-end rule pathway（Annu. Rev. Plant Biol. 2015. 66:345–67）

此外，两篇文章中还发现乙烯响应因子RAP2.12定位在细胞膜上。在低氧条件下，质膜定位的转录因子RAP2.12从质膜释放，由于细胞中的低氧浓度，其降解受到抑制。因此，转录因子积聚在细胞核中，并同时诱导参与厌氧代谢的基因和减弱RAP2.12活性的基因。此外，之后的研究表明，线粒体电子传输链的抑制会导致瞬时活性氧（ROS）积累，该信号通过有丝分裂原激活的蛋白激酶MPK3，MPK4和MPK6转导作为信号，从而激活参与ROS清除的基因。另外，由缺氧引起的光合活性的抑制产生未知的信号，该信号诱导涉及维持质膜完整性的基因（如下图）。

植物细胞对低氧的响应机制（Annu. Rev. Plant Biol. 2015. 66:345–67）

综上所述，植物普遍存在着依赖于氧气的转录因子的重新定位，该转录因子充当厌氧反应从膜系统进入细胞核的主要调控因子。而之前研究表明，在粟酒裂殖酵母中，转录因子Sre1以间接氧依赖性方式被切割，从而将活性的N末端片段释放到细胞核中。而在拟南芥中，RAP2.12位于质膜，在该处与酰基辅酶A结合蛋白（ACBP）相互作用。低氧条件通过未知机制触发其释放。

因此，尽管通过不同的机制，真核生物之间也存在着氧依赖性低氧主调节剂的不稳定现象：在酵母中，Sre1被蛋白酶Ofd1降解，该酶的活性直接受到氧结合的刺激。在植物中，植物半胱氨酸氧化酶（PCO）通过氧化N端半胱氨酸为蛋白质降解制备RAP2.12。而在动物中，HIF-1α转录因子在存在氧的情况下被脯氨酰脱氢酶（PHD）羟化在脯氨酸残基上，而脯氨酸脱氢酶（PHD）是一种通过蛋白酶体引发HIF降解的修饰。因此真核生物中，感应氧气的机制具有一定的保守型，也体现该途径在生命过程中的重要性！

真核生物中感应氧的分子机制（Annu. Rev. Plant Biol. 2015. 66:345–67）

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