Nature Commun. | 李建明团队揭示内质网相关降解系统调控机制

真核生物约三分之一的蛋白都在内质网中合成。初生肽链在内质网中需要经过糖基化，二硫键的形成等修饰和折叠从而达到其正确蛋白质构象。只有当蛋白质折叠正确，它才能被运出内质网到达其最终目的地发挥生物学功能。然而蛋白质的折叠是一个非常容易出错的过程。错误折叠的蛋白质不仅会导致其本身功能缺陷，而且当错误折叠的蛋白质超过内质网的承受能力时，会引起内质网应激（ER Stress）并对细胞产生毒害作用【1】。为了维持内质网的稳态，真核细胞已经进化出一套独特的内质网相关降解系统（ER-associated degradation, ERAD）来清除这些错误折叠的蛋白质【2,3】。遗传和生化研究表明ERAD在酵母，动物和植物中是高度保守的机制【4】。而在植物中，ERAD尤其影响植物的生长发育，植物的防御以及非生物胁迫耐受性【5-7】。ERAD主要是围绕着定位于内质网膜上的高度保守的泛素连接酶（E3 ligase）复合物，如Hrd1。拟南芥同样也拥有一套Hrd1介导的ERAD降解机制，但目前尚不清楚Hrd1复合物的组成以及Hrd1的自身调控。

近日，中科院上海植物逆境生物学研究中心与华南农业大学李建明团队在Nature Communicaitons发表了一篇题为PAWH1 and PAWH2 are plant-specific components of an Arabidopsis endoplasmic reticulum-associated degradation complex 的研究论文，发现了Hrd1复合物中两个植物特异性的新组分PAWH1和PAWH2，并揭示了它们对Hrd1稳定性的调控机制。

该研究首先采用了免疫共沉淀和质谱的方法（IP-MS）对拟南芥中Hrd1复合物进行组分分析，发现了两个从未报道过的同源蛋白PAWH1和PAWH2（Protein associated with Hrd1），并且通过进化树分析得知它们是植物特异性的蛋白。细胞生物学和生物化学的实验方法也证明了PAWH1和PAWH2能够与Hrd1复合物中的组分EBS7直接互作，而EBS7在之前报道是能够与Hrd1a（拟南芥中Hrd1的一个同源蛋白）直接互作并维持Hrd1a的稳定性。同时通过细胞生物学和生物化学的方法也证明了PAWH1和PAWH2是定位于内质网的膜蛋白。

最近研究表明，拟南芥的油菜素内酯BR受体BRI1的两种突变形式bri1-9和bri1-5，由于结构上的突变导致它们被ERAD降解，从而使得拟南芥表现出生长矮小的表型，但bri1-9和bri1-5仍具有BR受体的功能，所以bri1-9和bri1-5可用于研究ERAD的模型底物【8,9】。通过遗传杂交实验发现，PAWH1和PAWH2同时突变能够恢复bri1-9和bri1-5的矮化表型（图1A和C），并且阻止了bri1-9和bri1-5蛋白降解（图1B和D）。同样pawh1 pawh2也能够阻止另外一个错误折叠蛋白EFR（EF-Tu Receptor）的ERAD降解。这说明了PAWH1和PAWH2参与了拟南芥的ERAD过程。

图1 PAWH1和PAWH2突变能够恢复bri1-9和bri1-5的生长表现并阻止其蛋白降解

有趣的是，pawh1 pawh2突变体自身展现出持续激活的UPR（Unfolded Protein Response），这也导致了在PAWH1和PAWH2的同时缺失情况下，拟南芥表现出了对ER Stress和盐胁迫耐受性下降（图2）。这说明了ERAD的缺陷会引起植物抗逆性的下调。

图2 pawh1 pawh2使拟南芥抗逆性下降

更深入的研究发现，在ebs7突变体中PAWH1和PAWH2的蛋白稳定性下降，而有意思的是在PAWH1和PAWH2同时突变时，EBS7和Hrd1a也变得不稳定从而被降解。并且在pawh1 pawh2中过表达EBS7也不能够恢复Hrd1a的稳定性。这也说明了Hrd1a的稳定必需依赖PAWH1/2和EBS7的同时存在，同时也说明了Hrd1复合物存在着自身调控。

图3 Hrd1复合物模型

本研究更深远的意义在于，当生命体从ER stress情况下恢复到正常的生长条件时，ERAD的自身活性和组分需要受到下调从而来调节植物生长，但目前ERAD的自我调控机制并不清除。而本研究为ERAD的自我调控提供了很好的证据和思路。

该研究由原中科院分子植物卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心李建明研究员（现华南农业大学，密歇根大学教授）课题组完成。上海植物逆境生物学研究中心博士生林良光和张聪聪为论文第一作者。李建明教授，刘林川教授，邢维满教授为论文的通讯作者。

参考文献：

【1】Walter, P. and D. Ron, The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation. Science, 2011. 334(6059): p. 1081-6.

【2】Ruggiano, A., O. Foresti, and P. Carvalho, Quality control: ER-associated degradation: protein quality control and beyond. J Cell Biol, 2014. 204(6): p. 869-79.

【3】Smith, M.H., H.L. Ploegh, and J.S. Weissman, Road to ruin: targeting proteins for degradation in the endoplasmic reticulum. Science, 2011. 334(6059): p. 1086-90.

【4】Vembar, S.S. and J.L. Brodsky, One step at a time: endoplasmic reticulum-associated degradation. Nat Rev Mol Cell Biol, 2008. 9(12): p. 944-57.

【5】Cui, F., et al., Arabidopsis ubiquitin conjugase UBC32 is an ERAD component that functions in brassinosteroid-mediated salt stress tolerance. Plant Cell, 2012. 24(1): p. 233-44.

【6】Huttner, S., et al., Unraveling the function of Arabidopsis thaliana OS9 in the endoplasmic reticulum-associated degradation of glycoproteins. Plant Mol Biol, 2012. 79(1-2): p. 21-33.

【7】Liu, Y., et al., EBS7 is a plant-specific component of a highly conserved endoplasmic reticulum-associated degradation system in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(39): p. 12205-10.

【8】Hong, Z., et al., Mutations of an alpha1,6 mannosyltransferase inhibit endoplasmic reticulum-associated degradation of defective brassinosteroid receptors in Arabidopsis. Plant Cell, 2009. 21(12): p. 3792-802.

【9】Hong, Z., et al., Evolutionarily conserved glycan signal to degrade aberrant brassinosteroid receptors in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109(28): p. 11437-42.

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11480-7