蛋白质SUMO化修饰调控植物细胞周期G2/M期转换的分子机制研究

The precise maintenance of cell cycle is critical for plant development, but the regulation mechanisms on the G1/S and G2/M checkpoints remain unclear. SUMOylation is an important type of protein modification regulating the subcellular localization, stability or activity of substrates. The previous study from our laboratory revealed that the Arabidopsis SUMO ligase AtMMS21 regulates G1/S transition by dissociation of the E2Fa/DPa complex. The further analysis suggested that AtMMS21 is also involved in the regulation of G2/M transition via an unknown mechanism. To uncover this mechanism, a yeast two-hybrid screening has been applied to identify the G2/M related factors interacting with AtMMS21. As a result, a transcription related factor named as MIG1 was identified in the assay. In the further study, multiple approaches from biochemistry, cell biology and genetics will be used to investigate the regulation mechanism of MIG1 by the SUMOylation mediated via AtMMS21, as well as the effect of SUMOylation on the MIG1/MAP1 complex. This study will improve our understanding on the function of protein modification in plant cell cycle regulation, and will be interesting for the researchers in plant development and agriculture.

细胞周期的精确调节对植物器官发育至关重要，但关于植物细胞周期G1/S和G2/M检验点调控机制的研究还不够深入。蛋白质SUMO化是一种翻译后修饰，调控底物的亚细胞定位、稳定性或活性等。申请人前期的工作发现拟南芥SUMO连接酶AtMMS21通过影响E2Fa/DPa复合物，调控植物细胞的G1/S期转换。在此基础上发现，AtMMS21也参与G2/M期检验点的调节，但具体机制不明。为了揭示该机制，申请人通过酵母双杂交筛选与AtMMS21相互作用的G2/M转换相关蛋白，发现一个与之互作的转录相关因子，命名为MIG1。本项目将运用生物化学、细胞生物学和遗传学等方法，围绕AtMMS21介导的SUMO化修饰对MIG1功能的影响以及该过程是否通过促进MIG1与其互作因子MAP1的结合以调控G2/M期转换的机制进行研究。本项目将有利于揭示蛋白修饰调控植物细胞周期的机制，也将为后续农作物改良提供依据。

细胞周期的正常维持对于植物生长发育至关重要，而蛋白质SUMO化修饰在该过程中的功能还有待研究。本项目主要围绕着拟南芥SUMO连接酶AtMMS21调控植物细胞周期G2/M期转换的机制进行探究。前期通过酵母双杂交筛选，鉴定得到两个与AtMMS21互作的细胞周期相关蛋白，分别为与小分子RNA生物合成相关的CDC5（命名为MIG1）和26S蛋白酶体的亚基RPT2a（命名为MIG2）。因此，在本项目中通过两方面对AtMMS21介导的SUMO化修饰在植物细胞周期和主根发育调控中的功能展开深入研究，取得的研究成果如下。（1）本研究发现AtMMS21与CDC5互作并介导了CDC5的SUMO化修饰，而SUMO化促进了CDC5与D-body关键组分HYL1/SE的互作，因此有助于小分子RNA的加工，进而调控细胞周期G2/M期相关基因的转录本积累水平，从而维持正常的细胞周期转换和主根发育。（2）本研究发现AtMMS21与RPT2a互作并介导了RPT2a的SUMO化修饰，进而提高RPT2a的蛋白稳定性，从而维持了26S蛋白酶体的活性，以此影响细胞周期G2/M期相关基因的表达水平，有利于促进细胞周期转换和主根发育。综上所述，本研究揭示了AtMMS21对CDC5和RPT2a的SUMO化修饰调控分别通过小分子RNA加工和26S蛋白酶体途径调节植物细胞周期的分子机制，将有助于我们深入理解蛋白质翻译后修饰在植物发育调控中的功能，为后续的作物遗传改良提供理论依据。