项目文章：泛素化修饰组学助力胁迫响应机制研究

泛素化修饰是生物体内非常重要的蛋白翻译后修饰，泛素-蛋白酶体降解途径(ubiquitin-pro-teasome pathway, UPP)介导了真核生物体内80%~85%的蛋白质降解。在植物响应非生物胁迫过程中，比如寒冷、干燥、高温、高盐等，扮演着至关重要的角色。

泛素连接酶根据功能结构域可以分为HECT, RING, U-box and cullin四个家族，其中U-box蛋白广泛分布于酵母、植物和动物中。已有研究证实，在拟南芥和水稻中U-box家族中很多成员会参与缺水胁迫过程。马铃薯作为世界上第四大农作物，干旱引起产量大幅度下降会造成非常不良的影响。但是泛素化在马铃薯干旱胁迫中的调节作用还未曾有报道。

甘肃省干旱生境作物学重点实验室、甘肃农业大学生命科学技术学院司怀军教授和唐勋副教授在Physiologia Plantarum发表了题为“Genome-wide identification of U-box genes and protein ubiquitination under PEG-induced drought stress in potato”的研究通过分析马铃薯在模拟干旱环境中泛素化修饰水平的变化，初步揭示了泛素化途径参与马铃薯干旱胁迫调控机制。中科新生命在本次研究中提供了泛素化修饰组学技术服务。

◆ 主要内容  

1. U-box在不同物种中的基因保守性

使用Hmmer和BLAST工具在马铃薯基因组中检索拟南芥和水稻U-box基因的同源序列，推测马铃薯中有66个U-box基因。根据它们在染色体上的分布，依次命名为StPUB1-StPUB66。这66个蛋白都包含U-box结构域，且氨基酸序列高度保守。通过进化树将66个基因分成了6个主要部分，部分基因分布与拟南芥、水稻是一致的，说明可能具有类似的功能。以上结果表明，在马铃薯中在序列以及功能上都存在极高的保守性。

图1 StPUBs中U-box结构域序列比对及进化树

2.干旱胁迫下泛素和蛋白酶体表达水平变化

UPP主要包括两个阶段，一是泛素与蛋白底物连接，二是蛋白酶体降解底物并释放泛素分子。在PEG诱导的干旱环境下，通过qRT-PCR发现泛素的表达水平没有明显变化，而蛋白酶体明显上升，说明干旱胁迫下，泛素化修饰水平提高。

图2 干旱胁迫下26S和Ub相对表达量

3.干旱胁迫下泛素化修饰表达水平变化

基于26s蛋白酶体翻译以及多肽链折叠和组装的时间，预计PEG诱导8h后，泛素化修饰的蛋白量会达到最大值，故选择此时间点的样本进行泛素化修饰蛋白组学分析。通过修饰组学分析，一共鉴定到314个泛素化位点，包括22个显著上调位点和3个下调位点，说明干旱胁迫下会提高泛素化修饰水平。

图3 泛素化修饰蛋白定量及差异分析结果

4.干旱胁迫下泛素化修饰功能分析

GO分析结果显示马铃薯泛素化蛋白与很多生物过程和分子功能相关。蛋白互作网络发现有15个泛素化修饰的蛋白与差异蛋白互作，包括三个U-box蛋白，StPUB49、StPUB51和StPUB58，表明马铃薯中U-box参与PEG诱导的干旱胁迫响应。

图4 GO分析

◆ 总结

此项研究首次系统预测并分析了马铃薯中的U-box基因及特征，并利用泛素化修饰组学技术探究了马铃薯在干旱胁迫下泛素化水平的变化。干旱胁迫调控机制的研究为培育抗旱农作物、提高农作物产量提供了新的线索。