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李家洋研究组在植物程序性细胞死亡调控上取得重要进展

  程序性细胞死亡是一种受到遗传调控的细胞死亡方式,在动植物的生长发育和抵御生物与非生物胁迫过程中均具有重要作用。已有研究表明叶绿体和线粒体都在植物程序性细胞死亡中发挥重要作用,但此二者是否存在信号交流,以及如何协同作用共同调控程序性细胞死亡等方面尚不清楚。此前,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室李家洋研究组克隆了一个拟南芥细胞死亡突变体mosaic death 1 (mod1)MOD1编码一个烯酰-ACP还原酶,对于叶绿体中脂肪酸合成至关重要(Mou et al., Plant Cell, 2000)。通过对mod1抑制突变体的研究发现,mod1突变体中存在活性氧积累,而线粒体电子传递链复合体I的活性降低能够抑制mod1中活性氧的积累,从而抑制细胞死亡的发生(Wu et al., Cell Res, 2015)。这一结果暗示,在MOD1突变导致的细胞死亡过程中可能存在叶绿体到线粒体的信息交流。 

 

  通过对不影响线粒体复合体I活性的mod1抑制突变体进行研究,李家洋研究组筛选并克隆了3个新的抑制基因:质体定位的NAD依赖的苹果酸脱氢酶(plNAD-MDH),叶绿体被膜定位的二羧酸转运蛋白1 (DiT1),和线粒体定位的苹果酸脱氢酶1 (mMDH1)。这三个基因都是植物苹果酸-草酰乙酸穿梭途径中的重要成员,每个基因的功能丧失均可以抑制mod1中活性氧的积累和细胞死亡的发生。实验结果表明,MOD1功能降低导致其底物NADH在叶绿体中大量积累,进而使得携带着还原力的苹果酸通过苹果酸-草酰乙酸穿梭途径进入线粒体中,导致线粒体中NADH水平的升高,引发活性氧的产生和细胞死亡的发生。进一步研究表明,该途径在连续光照导致的活性氧的产生与氧化胁迫中发挥重要功能。此外,苹果酸处理HeLa细胞能够诱导活性氧的产生和细胞死亡的发生,且线粒体定位的苹果酸脱氢酶在其中发挥重要作用。该研究结果证明了在植物的程序性细胞死亡途径中存在叶绿体到线粒体的信息交流(Chloroplast-To-Mitochondria communication),苹果酸-草酰乙酸穿梭途径在其中发挥关键作用,且在动物中存在保守的细胞质到线粒体的细胞死亡调控机制。 

 

  该研究成果于2018314日在Cell Research杂志在线发表(DOI:10.1038/s41422-018-0024-8)。李家洋研究组博士研究生赵艳楠、博士后罗丽兰和黄勋研究组助理研究员许捷思为该论文的共同第一作者,李家洋研究员、黄勋研究员和余泓副研究员为共同通讯作者。合作者主要包括中科院遗传发育所的褚金芳博士、左建儒研究员、王国栋研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院战略先导专项的资助。 

 

  图:植物和动物细胞中程序性细胞死亡的调控模式