双靶向半胱氨酸蛋白酶抑制剂NtCYS调控胚柄细胞程序性死亡的分子机理研究

Molecular mechanism underlying programmed cell death (PCD) in plant cells is one of the core questions in the field of plant developmental biology. Remarkable progresses have been made in understanding the regulatory pathways and its basic mechanisms of PCD in animal cells, but relatively little is known about PCD in plant cells. Recently, research on plant PCD has been paid great attention since some breakthroughes have been made and the importance of PCD for plant development has been further recognized. In our previous work, we identified a basal cell exclusively located cysteine protease inhibitor NtCYS. NtCYS-dependent protease C1A proteolytic pathway plays an important role in regulating the onset of suspensor PCD. Recently, NtCYS was approved as a bifunctional inhibitor, which can inhibit the activities of the peptidases both from peptidases C1A and C13 families. Thus, it offers a unique opportunity to investigate the regulatory mechanism of NtCYS in plant PCD extensively. In this project,we will focus on the revealing the function of peptidase C13 and the relationships between NtCYS-C1A and NtCYS-C13 pathways during suspensor PCD. Hope to enhance our understanding of the molecular mechanism regulating PCD in plants.

植物细胞程序性死亡（PCD）的分子调控机制是植物发育生物学研究的核心问题之一，但其研究深度远逊于动物领域。近年，由于一些突破性进展，该研究已成为植物发育领域的新热点，备受学者们关注。我们在前期工作中从烟草基细胞文库中克隆得到1个胚柄基部细胞特异表达的半胱氨酸蛋白酶抑制剂NtCYS，它可以通过调节蛋白酶C1A的活力来调控胚柄细胞程序性死亡的启动时间。最近，我们进一步发现NtCYS是一个双靶向半胱氨酸蛋白酶抑制剂，可同时抑制C1A和C13两个不同家族蛋白酶成员的活力。从而，为深入研究NtCYS调控胚柄细胞程序性死亡的分子机制提供了新的契机，由此切入，有可能揭示植物细胞PCD不同于动物细胞的独特机制。本项目拟以此为基础，通过分析C13的功能及NtCYS-C1A与NtCYS-C13两条途径之间的关系，系统揭示NtCYS调控胚柄细胞PCD的作用模式，以期对认识植物细胞PCD的分子调控机理有所突破。

植物细胞程序性死亡的分子调控机制是植物发育生物学研究的核心问题之一，但其研究深度远逊于动物领域。近年，由于一些突破性进展，该研究已成为植物发育领域的新热点。目前研究表明植物细胞程序性死亡主要可以划分为正常发育过程中的细胞程序性死亡和环境胁迫过程中细胞程序性死亡，但这两种不同类型细胞程序性死亡之间的关系是怎么样的?在分子调控机制上有何异同之处迄今仍不清楚。本项目以胚柄基部细胞特异表达的双靶向半胱氨酸蛋白酶抑制剂NtCYS为研究切入点，探讨NtCYS所调控的两条不同作用途径（NtCYS-C1A与NtCYS-C13）在不同类型细胞程序死亡过程中的作用机制。本项目研究证实了NtCYS是1个双靶向半胱氨酸蛋白酶抑制剂，能够同时与蛋白酶C1A家族成员NtCP14和蛋白酶C13家族成员NtC13结合，并抑制它们的活力。在此基础之上，解析了NtCYS抑制蛋白酶NtCP14和NtC13活力的关键位点,发现NtCYS是通过两个独立的调控位点分别来调节靶蛋白酶NtCP14和NtC13的活力。23位天冬氨酸和68位缬氨酸是NtCYS抑制蛋白酶NtCP14活力的关键位点,而50-53位“SNSF”基序是NtCYS抑制蛋白酶NtC13活力的关键位点。功能分析证实NtCYS协同调控正常胚胎发育过程中的胚柄程序性死亡和TMV诱导下的程序性死亡（超敏反应）。NtCYS-NtCP14途径负责调控正常胚胎发育过程中的胚柄细胞程序性死亡，而NtCYS-NtC13途径则负责调控TMV诱导的超敏反应。综上所述，本项目较为全面的剖析了双靶向半胱氨酸蛋白酶抑制剂NtCYS调控植物细胞程序性死亡的分子作用机制，加深了我们对植物细胞程序性死亡调控机制的认识。