植物棕榈酰化高效检测平台建立及拟南芥棕榈酰转移酶ELSP1功能研究

Palmitoylation is an important posttranslational protein modification that transfers palmitate to cysteine residues of substrate proteins to control their subcellular localization or activity and subsequently regulate different cellular processes. Palmitoylation in yeast and mammalian systems has been studied in details, but the function of palmitoylation in plants remains unclear. To illustrate the molecular roles of palmitoylation in plants, we will try to establish an efficient assay to detect this modification in Arabidopsis protoplasts. Recently in our laboratory, a palmitoyl-transferase gene ELSP1(Leaf Senescence related palmitoyltransferase 1) was characterized to be associated with leaf senescence in Arabidopsis. Palmitoylation substrates of ELSP1 will be identified by the established assay to reveal the molecular regulation mechanism of palmitoylation in senescence. In conclusion, the combination of phenotype characterization and biochemical dectection will improve our knowledge in the function and mechanism of protein palmitoylation in plant cells.

棕榈酰化是一类重要的蛋白质翻译后修饰，主要是将棕榈酸连接到底物蛋白上，通过调控底物蛋白质的亚细胞定位或者生化功能而影响细胞内各个重要的生理过程。酵母和哺乳动物体系中，蛋白质棕榈酰化是国际上研究的热点。然而，在植物生物学领域，关于棕榈酰化的研究刚刚起步，很多问题还有待解答。为了研究植物蛋白棕榈酰化的分子机制，本项目拟首次在植物系统中建立一个基于链接化学的高效灵敏棕榈酰化检测平台；同时，本申请人通过反向遗传学方法筛选到一个植物衰老相关的棕榈酰转移酶基因ELSP1(Early Leaf Senescence- related Palmitoyl-transferase 1)，后续工作拟运用建立的检测方法，寻找ELSP1修饰的底物，从而阐明其调控叶片衰老过程的分子机制。综上所述，本课题的研究将通过表型分析结合生化检测，揭示植物蛋白棕榈酰化在细胞内的功能和机理。

本项目主要分为两方面内容：（1）植物蛋白棕榈酰化（也称为S-酰基化）检测平台的建立；（2）棕榈酰转移酶调控叶片衰老的机制。.（1）棕榈酰化是一种重要的蛋白质翻译后修饰，但是该修饰在植物中的功能研究刚刚起步，也缺乏灵敏特异的检测方法。本项目在植物体系中建立了一个以酰基树脂捕获和原生质体转化为基础的棕榈酰化检测方法。通过已知底物的验证，发现该方法具有较好的灵敏性和特异性。另外，该平台也可以用于分析植物棕榈酰转移酶的活性。本项目利用该方法与生物信息学分析及质谱技术相结合，鉴定了多个未报道的植物棕榈酰化底物，可用于后续的功能分析。因此，本项目建立的分析平台将为植物棕榈酰化的功能研究提供有力的工具。.（2）棕榈酰化可以调控各个生理过程，但是之前其参与植物叶片衰老调控的分子机制未明。本项目发现拟南芥棕榈酰转移酶PAT13和PAT14（申报书中命名为ELSP1）协同调控植物的叶片衰老过程。这两个同源基因在衰老叶片中的表达明显上调，表明其可能与衰老调控相关。PAT13突变体表型与野生型相似，而PAT14突变体表现出早衰表型，PAT13/PAT14的双突变体的早衰表型更为明显。双突变体叶片中叶绿素含量显著下降，衰老标志基因上调，活性氧和细胞死亡的水平明显上升。通过生物信息学分析和细胞学筛选，发现一氧化氮合成相关酶NOA1的亚细胞定位部分依赖于PAT13/PAT14介导的棕榈酰化修饰。进一步研究发现，棕榈酰化修饰对NOA1在叶片衰老调控中的功能是必需的。综上所述，棕榈酰转移酶PAT13和PAT14通过NOA1的棕榈酰化修饰调控植物叶片的衰老进程，加深了我们对蛋白翻译后修饰在植物衰老调节中功能的理解。