遺傳發(fā)育所植物程序性細(xì)胞死亡調(diào)控研究獲進(jìn)展

程序性細(xì)胞死亡是一種受到遺傳調(diào)控的細(xì)胞死亡方式，在動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抵御生物與非生物脅迫過程中均具有重要作用。已有研究表明，葉綠體和線粒體在植物程序性細(xì)胞死亡中發(fā)揮重要作用，但二者是否存在信號(hào)交流，以及如何協(xié)同作用共同調(diào)控程序性細(xì)胞死亡等方面尚不清楚。此前，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李家洋研究組，克隆了一個(gè)擬南芥細(xì)胞死亡突變體 mosaic death 1 (mod1)。MOD1 編碼一個(gè)烯酰 -ACP 還原酶，對(duì)于葉綠體中脂肪酸合成至關(guān)重要。通過對(duì) mod1 抑制突變體的研究發(fā)現(xiàn)，mod1 突變體中存在活性氧積累，而線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體 I 的活性降低能夠抑制 mod1 中活性氧的積累，從而抑制細(xì)胞死亡的發(fā)生。這一結(jié)果暗示，在 MOD1 突變導(dǎo)致的細(xì)胞死亡過程中可能存在葉綠體到線粒體的信息交流。

通過對(duì)不影響線粒體復(fù)合體 I 活性的 mod1 抑制突變體進(jìn)行研究，李家洋研究組篩選并克隆 3 個(gè)新的抑制基因：質(zhì)體定位的 NAD 依賴的蘋果酸脫氫酶 (plNAD-MDH)，葉綠體被膜定位的二羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 1 (DiT1)，和線粒體定位的蘋果酸脫氫酶 1 (mMDH1)。這三個(gè)基因都是植物蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑中的重要成員，每個(gè)基因的功能喪失均可以抑制 mod1 中活性氧的積累和細(xì)胞死亡的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MOD1 功能降低導(dǎo)致其底物 NADH 在葉綠體中大量積累，進(jìn)而使得攜帶著還原力的蘋果酸通過蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑進(jìn)入線粒體中，導(dǎo)致線粒體中 NADH 水平的升高，引發(fā)活性氧的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡的發(fā)生。進(jìn)一步研究表明，該途徑在連續(xù)光照導(dǎo)致的活性氧的產(chǎn)生與氧化脅迫中發(fā)揮重要功能。此外，蘋果酸處理 HeLa 細(xì)胞能夠誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生和細(xì)胞死亡的發(fā)生，且線粒體定位的蘋果酸脫氫酶在其中發(fā)揮重要作用。該研究結(jié)果證明了在植物的程序性細(xì)胞死亡途徑中存在葉綠體到線粒體的信息交流(Chloroplast-To-Mitochondria communication)，蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用，且在動(dòng)物中存在保守的細(xì)胞質(zhì)到線粒體的細(xì)胞死亡調(diào)控機(jī)制。

近日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在 Cell Research 上。李家洋研究組博士研究生趙艷楠、博士后羅麗蘭和黃勛研究組助理研究員許捷思為論文的共同**作者，研究員李家洋、研究員黃勛和副研究員余泓為共同通訊作者。合作者包括遺傳發(fā)育所博士褚金芳、研究員左建儒、研究員王國(guó)棟。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。