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植物metacaspase (MC) 家族蛋白是一类与动物caspase结构和功能相近的半胱氨酸蛋白酶, 均具有p20和p10结构域, 且含有保守的催化活性位点。不同于动物caspase在天冬氨酸 (D) 之后切割靶标蛋白, 植物MC仅在精氨酸 (R) 和赖氨酸 (K) 之后特异切割。尽管MC家族蛋白在响应非生物胁迫和生物胁迫中发挥重要作用, 但是其在植物病毒侵染和细胞自噬中的具体功能尚不清楚。

近日, 我院李大伟教授团队在Science Advances和Molecular Plant上分别发表了题为The MC4-La1 cleavage module restricts plant virus infection by integrating R-motif–mediated defense mRNA translation和Cleavage of Beclin 1 by metacaspase 1 activates antiviral autophagy in plants的研究论文。两项研究揭示了植物metacaspase家族蛋白在病毒侵染和植物细胞自噬中的新功能。

在MC4的研究中, 团队发现II型metacaspase蛋白MC4在感知病毒入侵信号后被激活, 并在RNA结合蛋白La1的R448残基之后切割, 切割产物La11-448转位至细胞质中, 通过增强富含嘌呤的R-motif介导的防御mRNA不依赖帽子的翻译, 进而抑制病毒的侵染。而大麦条纹花叶病毒 (barley stripe mosaic virus, BSMV) 编码的γb蛋白直接靶向MC4并干扰其切割La1, 通过抑制寄主的防御反应促进病毒侵染。研究结果发现MC4-La1切割模块联合R-motif介导的防御mRNA翻译这一全新的抗病毒信号通路, 为深入理解植物与病毒博弈的复杂性提供了新的科学证据。

在MC1的研究中, 团队发现研究发现I型metacaspase蛋白MC1能在R97和R99之后特异性切割Beclin 1蛋白, 从而正调控自噬的发生。与哺乳动物caspase切割导致Beclin 1蛋白失活不同, 本生烟MC1切割Beclin 1的产物Beclin 1N仍然具有自噬活性, 且这一切割作用对于Beclin 1激活自噬是必需的。进一步研究表明, 在自噬激活时, MC1切割Beclin 1解除其分子内相互作用的抑制效应, 释放其N端切割产物Beclin 1N, 并以依赖PI3K复合体的方式诱导自噬反应。该研究还发现MC1-Beclin 1切割模块具有广谱的抗病毒功能, 而BSMV 编码的γb蛋白则能通过直接与MC1互作干扰了MC1对Beclin 1蛋白的切割, 抑制MC1介导的抗病毒自噬反应, 进而促进病毒的侵染。

综上, 这两项研究分别揭示了植物metacaspase家族蛋白通过MC1-Beclin 1自噬路径、MC4-La1翻译调控路径抵御植物病毒侵染的新机制。

我院刚毕业的皮清霖博士和博士生胡汝检为这两篇论文的共同第一作者, 李大伟教授为通讯作者。参加本研究工作的还有中国科学院微生物研究所王金龙研究员, 太阳集团2007官网入口张永亮教授、杨萌副教授、宋文教授、植保学院韩成贵教授等。清华大学刘玉乐教授和王燕博士对本研究给予了大力支持和帮助, 团队的于嘉林教授、王献兵教授和王颖副教授为本课题的顺利开展提供很多有益建议和帮助。本研究受国家自然科学基金重点项目(32330086) 和面上项目 (32270168) 的资助。

原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0819

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(25)00365-X