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山东大学董家强教授课题组揭示玉米等C4植物丝氨酸生物合成的机制

2025/08/02

文章导读
遗传学家发现玉米“合成氨基酸”的隐藏密码!当全球粮食增产普遍依赖传统光呼吸机制研究时,山东大学团队却意外破解了C4植物特有的蛋白质生产系统。他们首次证实玉米籽粒的丝氨酸合成并不依赖常规路径,而是通过DEK2蛋白中一个神秘的Ser282位点锁定分子开关——这个关键发现不仅揭开了C4植物低光呼吸条件下仍高效产粮的分子机制,更意外开辟了高蛋白玉米育种和新型抗癌药研发两大产业赛道。研究团队通过基因编辑创制出新突变体,发现单一氨基酸突变竟可触发核糖体翻译"熔断机制",为种子生物工厂改造提供了颠覆性理论范式!
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近日,山东大学生命科学学院董家强课题组在The Plant Cell发表了题为“Phosphoglycerate dehydrogenase is required for kernel development and defines a predominant serine synthesis pathway in maize”的研究论文,揭示玉米等C4植物丝氨酸生物合成,以及丝氨酸代谢调控蛋白质翻译的分子机制,为培育高蛋白玉米奠定理论基础。山东大学生命科学学院2021级博士生张莹、中国科学院上海免疫与感染研究所2021级博士生李若璇和华中农业大学生命科学技术学院2023级硕士生郑道灿为共同第一作者。山东大学生命科学学院董家强教授为论文通讯作者。

山东大学董家强教授课题组揭示玉米等C4植物丝氨酸生物合成的机制

在植物生长发育过程中,丝氨酸既可作为蛋白质合成的底物,也可作为信号分子发挥功能。前人基于拟南芥等C3植物的研究表明,丝氨酸的合成主要依赖于光呼吸途径。但玉米作为典型的C4植物,其光呼吸速率显著低于C3植物,暗示玉米的丝氨酸合成机制可能不同于C3植物。目前,关于C₄植物(如玉米)中丝氨酸的合成途径,以及丝氨酸代谢调控生长发育的分子机制,尚未完全解析。

该研究克隆了玉米经典突变体基因Dek20,该基因编码磷酸甘油酸脱氢酶1(Phosphoglycerate dehydrogenase1,PGDH1)。该酶为细菌和哺乳动物丝氨酸生物合成的磷酸化途径(Phosphorylated pathway of serine biosynthesis, PPSB)的限速酶,催化该途径的第一步反应。在dek20突变体中,Ser282残基突变为Leu,破坏了Ser282与His284之间的相互作用,释放的His284与辅因子NAD⁺/NADH相互作用,从而抑制了NAD⁺/NADH的释放,进而抑制了DEK20蛋白的催化活性,导致丝氨酸合成受到阻碍,最终使得dek20突变体籽粒中丝氨酸含量大幅下降。丝氨酸的缺乏引发了一系列下游反应。代谢组学和转录组学分析显示,dek20籽粒中多种氨基酸及初级代谢物含量发生改变,氨基酸代谢、储藏物质合成及细胞分裂等通路显著富集。此外,dek20突变体中丝氨酸缺乏引发tRNASer-TGA和tRNASer-TCG降解,导致核糖体停滞在丝氨酸密码子处,翻译延伸受阻。核糖体翻译的停滞激活了GCN2激酶,引起eIF2α的磷酸化,抑制翻译起始。丝氨酸缺乏也会抑制TOR激酶的活性,降低S6K1的磷酸化水平,进一步抑制翻译起始。与上述一致,多聚核糖体分析(Polysome Profiling)与核糖体印记测序(Ribosome profiling sequencing)均显示,dek20籽粒中蛋白质翻译效率明显下降,尤其影响了储存物质合成和细胞周期进程相关的蛋白质翻译过程。

该研究系统阐明了DEK20/PGDH1蛋白在玉米丝氨酸合成通路中的关键作用,填补了C₄植物丝氨酸生物合成机制研究的空白。区别于经典的空载tRNA激活GCN2激酶,从而磷酸化eIF2α的机制,本研究揭示了丝氨酸缺乏降低了tRNASer稳定性,从而导致翻译延伸过程中核糖体阻滞在丝氨酸密码子处,进而激活GCN2激酶,最终抑制蛋白质翻译起始的机制。此外,PGDH1酶活性的调控是癌症生物学研究的热点,该研究发现DEK20/PGDH1蛋白的Ser282残基对其酶活性至关重要,为抗癌药物的筛选提供了一个有效的靶点。

该研究得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的支持。


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