AtMMS21互作蛋白鉴定及其调控拟南芥根发育的分子机制

根是植物重要的营养器官，具有吸收、固着、合成、疏导、贮藏和繁殖等功能，因而研究根的发育具有重要理论和生产应用价值。SUMO化修饰是细胞内蛋白质功能调节的重要方式之一。本研究组在先前的研究中发现AtMMS21蛋白具有SUMO E3连接酶活性，通过对其生理功能的分析发现AtMMS21是一个调控根发育的重要调节因子，其作用机制可能是通过依赖于其SUMO化靶蛋白从而介导根发育调节。我们最近的实验结果表明AtMMS21影响根尖干细胞活性且与MGP蛋白相互作用。本项目拟在此基础上利用酵母双杂交、亲和纯化与质谱分析、BiFC等方法筛选和鉴定与AtMMS21相互作用的蛋白,并综合运用遗传学、生物化学、细胞生物学和植物生理学等技术分析鉴定其相互蛋白的功能及其在调控根发育中作用,以期深入理解AtMMS21介导的SUMO化修饰调控根发育的分子调控网络。

植物在整个生命周期里，干细胞持续地产生各种子代细胞以维持组织的生长、更新与修复。干细胞必须具有高效的DNA损伤反应，但至今，对于基因组稳定性与干细胞微环境维持之间的分子联系仍知之甚少。本项目以拟南芥根尖为模式结构，发现SUMO E3连接酶AtMMS21调控根尖干细胞微环境的维持，而且这个过程与DNA损伤反应有关。. 突变AtMMS21导致根尖分生组织的细胞分裂和细胞分化模式发生改变，表明AtMMS21是根尖分生组织的结构与功能维持正常所必需的。通过检测QC特异性marker的表达和根尖干细胞的命运，发现MMS21功能缺失引起了缺陷的QC特化以及失常的干细胞。mms21-1突变体显示出结构混乱的根尖干细胞微环境； 其胚胎中胚根原的后代细胞出现异常分裂，导致根尖干细胞微环境起始的位置——胚胎基极，发生结构错乱。因此，无论是胚胎发育时期还是胚后生长时期，AtMMS21在干细胞微环境的维持中都起到着关键的作用。. 根尖干细胞微环境由多能转录因子所调控，发现在mms21-1根尖SHR和SCR的正常空间表达模式出现部分缺失进而呈现不连续的表达模式；WOX5和SCR发生异位表达从而呈现相邻细胞也表达GFP的模式；PLT1和PLT2在蛋白水平发生严重下调进而呈现表达/积累减少的模式。. 此外，mms21-1根的生长对DNA损伤剂超敏感，而且突变体根尖展示持续激活的DNA损伤反应。相应地，mms21-1根尖干细胞微环境出现自发的细胞死亡，进而导致干细胞微环境的结构紊乱。蛋白互作分析显示，AtMMS21与AtSMC5在酵母和植物体内都相互作用，表明AtMMS21是SMC5/6复合体的一个亚基。而该复合体是高度进化保守的染色体ATP酶，在细胞生长和DNA修复中具有重要的作用。而且，mms21-1和smc5-2突变体在胚胎发育以及DNA修复方面存在表型重叠，说明AtMMS21与AtSMC5存在功能重叠，它们可能相互作用共同维持基因组的稳定性以及干细胞微环境的特化。. 总之，本研究发现AtMMS21是SMC5/6复合体的一个亚基，并通过抑制DNA损伤诱导的根尖干细胞死亡，从而维持根尖干细胞微环境的正常结构与功能，揭示了AtMMS21介导的SUMO化修饰在根尖干细胞微环境和植物基因组稳定性的维持中起到关键的作用。