拟南芥核膜孔蛋白NUP96对生物钟调控机制的研究

Nuclear pore complex is the key bridge of substance communication, including mRNA and protein transportation, between nucleus and cytoplasm, while circadian clock is a critical regulon for individual to adapt to environmental conditions. However, the understanding on the regulation mechanism of nucleoporins on circadian clock is very limited, and no papers are published in animals, plants, and fungi. We obtained a nucleoporin mutant nup96 in Arabidopsis, whose phenotypes are closely related to abnormal circadian clock, appearing long period of leaf movement and the expression of clock genes, early flowering, and long hypocotyls. In this proposal, we try to elucidate the functional mechanism and the position in the clock pathway of NUP96 gene through studies on NUP96 circadian, its response for environmental photoperiod and temperature cues, genetic relationship with clock genes, and its cargos with modern biological technologies. The results will reveal new functions of nuleoporins and open a new field for clock function.

核膜孔复合物是真核细胞中细胞质与细胞核之间物质交换（包括mRNA和蛋白质的运输）的重要桥梁；生物钟是个体对环境适应的关键调节器。但目前在核膜孔复合物对生物钟调控机制方面的认识非常有限，在动物、植物、真菌等中都未见相关报道。本实验室筛选到拟南芥核膜孔蛋白NUP96基因的突变体，其表型与生物钟功能异常有关，主要表现在生物钟周期（如叶片运动和生物钟基因表达周期）大幅延长、早花和下胚轴伸长等。本项目在此基础上，利用现代生物学技术，深入研究NUP96基因的生物节律、对环境光周期和温度的反应、与生物钟基因的遗传关系，并筛选其运输分子（cargo），力图阐明NUP96基因的作用机制及其在生物钟调节网络中的地位。研究结果将有利于揭示核孔蛋白的新功能，同时也可为生物钟研究开辟新途径。

核膜孔是不仅是细胞核质运输的通道，也是基因表达调控的重要场所；本项目的研究结果表明Nup96基因的功能特性符合这一特征。Nup96基因对开花时间及生物钟的调节是多方面的、网络模式的，单一互作基因不能解释Nup96蛋白的完整功能，Nup96与其它核膜孔蛋白存在明显的互作关系。. 对核膜孔蛋白Nup96基因的多年研究结果可以总结如下：（1）证实Nup96是核膜定位的蛋白。与其它物种的保守的Nup96相比，拟南芥的Nup96蛋白具有第二个自剪切位点；（2）Nup96基因是开花抑制子，它的突变导致拟南芥早花，而这种表型不依赖于光周期和温度；（3）Nup96基因对开花时间的调节与多条途径有关，光周期途径依赖于CO和FT基因，自主途径依赖于FLC，而年龄途径则依赖于miR156；（4）Nup96对开花时间的调节是在维管韧皮部组织和顶端分生组织同时发挥作用的；（5）Nup96对生物钟输入途径、核心振荡器以及输出途径都有调节作用，该基因的突变引起生物钟各个环节基因的表达相位都延迟；（6）筛选并确证了Nup96的互作蛋白HOS1。Nup96可能通过HOS1 调节生物钟和开花；（7）在nup96突变体中HOS1 蛋白和CO蛋白的定位和代谢异常；（8）Nup107可以与HOS1互作，而nup107突变体的开花和生物钟也出现异常表型；（9）Nup96、Nup107、HOS1、MAD1、SUF4、FVE蛋白之间存在复杂的互作关系；（10）Nup96和Nup107分别调节FLC染色质组蛋白的酰基化（H3Ac）或甲基化（H3K4me3）；（11）Nup96与LHY及CCA1蛋白互作，Nup96可能通过LHY/CCA1-PPR基因控制生物钟的节律。