N-糖基化修饰调控拟南芥气孔发育的分子机制

Most secretory and membrane proteins are co/post-translationally glycosylated at certain asparagine residues upon or after entering the ER lumen (Asn/N-linked glycosylation) in eukaryotes. Recently, several studies indicate that N-glycosylation is crucial for plant growth and resistance to external stresses. However, the underlying molecular and biochemical mechanisms are still poorly understood. From obtained results, we found that the defects of catalytic subunit of oligosaccharyltransferase (OST), the core enzyme for N-glycosylation biogenesis, increase the stomatal density, accompanying the presence of stomatal cluster in Arabidopsis. Exogenously application of auxin suppresses the abnormal phenotype. In addition, the mutation also decreases the stabilities of TMM, a receptor-like protein for promoting MAPK cascade in stomatal development pathway and β-glucosidase, catalyzing the hydrolysis of Glc-conjugated IAA to form active hormone, suggesting that the N-glycosylation may affect stomatal development by regulating TMM receptor and hormone levels. Based on above findings, this project aims to identify potential glycoproteins involved in stomatal development, analyze the regulations of associated N-glycans on protein function, and reveal the molecular mechanisms and regulatory network of post-translational modification on stomatal development. The results of the study will provide a broader and comprehensive understanding of the biological functions of N-glycosylation as an important protein modification.

在真核细胞中绝大部分分泌蛋白和膜蛋白都在内质网中进行N-糖基化修饰。N-糖基化修饰对于调节植物生长以及抵抗外界胁迫具有重要的功能，但分子和生化机制还了解甚少。我们前期的研究显示，糖基化过程中关键酶-寡糖基转移酶催化亚基的缺失突变stt3a-2引起了拟南芥气孔密度增加并伴有气孔簇出现；外施生长素改善了stt3a突变体的气孔异常表型；气孔发育MAPK级联通路上的受体蛋白TMM以及催化Glc-IAA水解成活性激素的β-葡糖苷酶的稳定性在stt3a突变体中降低，提示N-糖基化可能通过影响发育信号通路受体以及激素水平来影响气孔发育。本申请项目在此研究基础上，深入解析N-糖基化对蛋白功能的可能影响，揭示N-糖基化修饰整合多条途径调控气孔发育的分子机制和调控网络。研究结果将使我们对这一重要蛋白修饰的生物学功能有更广泛的了解。

天冬酰胺糖基化（Asparagine linked-glycosylation，N-糖基化）是一种重要的蛋白翻译后修饰。绝大部分的分泌蛋白和膜蛋白都会在内质网中发生N-糖基化修饰。我们前期的研究结果表明N-糖基化发生突变体的气孔密度异常增加，同时伴随着对干旱和盐胁迫敏感的表型，提示N-糖基化修饰参与调控了拟南芥气孔发育过程。.本项目从多个层面对N-糖基化可能调控气孔发育的分子机制进行了研究并取得了系列发现：确定了N-糖基化对拟南芥气孔发育以及调控逆境适应的相关性；证明了N-糖基化修饰的紊乱降低了糖蛋白-葡萄糖苷酶AtBG1稳定性及催化活性，从而降低了活性激素水平和气孔发育的异常。同时，我们也发现生长素转运蛋白PIN1和PIN2在质膜上的定位受N-糖基化修饰的调控。另外，N-糖基化也调控了气孔发育通路上受体蛋白ERECTA与TMM的互作以及对小分子分泌多肽EPF2的识别；利用蛋白质组学方法分析了N-糖基化修饰对逆境响应网络的影响。我们也对N-糖基化发生的重要催化蛋白STT3进行了进化分析，证明了N-糖基化发生的古老及保守。为了进一步深入了解N-糖基化对蛋白功能的影响，我们也对N-glycan对底物蛋白的作用进行了详细分析，并发现糖蛋白携带的N-glycan扮演着多重作用，既可以作为结构元件维持蛋白的构象，也可以作为空间位阻保护周围未折叠完美的部分，也可以作为分子伴侣识别错误折叠蛋白的标签结构。.以上研究结果揭示了N-糖基化通过对多种糖蛋白底物功能的影响，从多个层面调控了拟南芥气孔发育以及对逆境胁迫的适应。我们的发现对于理解植物对逆境胁迫环境适应的复杂调控网络，提供了重要的参考，也为未来提高作物的抗逆性提供了新的思路。