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。

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。