华中农业大学近期科学研究进展

阐释植物新型蛋白质岩藻糖基转移酶SPY的作用机制

(资料图片)

近日，湖北洪山实验室、生命科学技术学院徐曙彤教授课题组在Nature Communications在线发表题为“Structuralinsights into mechanism and specificity of the plant proteinO-fucosyltransferase SPINDLY”的论文。该研究综合运用结构生物学和生物化学等多学科手段，全面阐释了植物新型蛋白质岩藻糖基转移酶SPY特异性利用GDP-fucose作为糖基供体，催化DELLA等定位于核质中的蛋白质底物发生O-连接岩藻糖基化修饰的分子基础。

综合运用结构生物学和生物化学等多学科手段，全面阐释植物新型蛋白质岩藻糖基转移酶SPY发挥功能的分子机制

蛋白质的O-连接糖基化是实现蛋白质功能多样化、动态地调节胞内信号整合和细胞生理状态的关键机制。研究表明,异常的蛋白质O-连接糖基化与人类的多种疾病（糖尿病、多种神经退行性疾病和癌症等）以及植物的许多发育障碍有关。植物SPINDLY (SPY) 蛋白在植物发育过程中发挥着多效性作用，包括生物钟调控、植物激素细胞分裂素信号转导、植物构型、根系发育、非生物和生物胁迫等。SPY为糖基转移酶GT41家族成员，尽管其与人源N-乙酰氨基葡萄糖转移酶OGT的氨基酸序列相似性较高，研究表明SPY是一种作用于核质蛋白的新型O-连接岩藻糖基转移酶，可特异性地催化赤霉素信号转导关键转录因子DELLA以及生物钟核心元件PRR5并调控这些蛋白的功能。SPY同源蛋白广泛存在于许多生命物种，包括原核生物、原生生物、藻类和所有植物，这表明SPY催化蛋白发生O-连接岩藻糖基修饰是一种广泛存在的调控胞内蛋白功能的方式。然而，SPY如何特异性识别糖基供体GDP-fucose以及被修饰的蛋白底物，以及如何催化fucose转移的分子机制尚不清楚。

徐曙彤教授课题组解析了全长的拟南芥SPY与GDP复合物的晶体结构，分辨率为2.85Å。研究者在晶格中意外捕获了由对称相关分子构成的 “催化型SPY”/GDP/“底物型SPY”三元复合物构象，首次观察到完整的GT41家族酶与蛋白底物的结合模式。结合生物化学实验分析，研究者阐释了SPY的酶活调控机制；揭示了SPY识别糖基供体和蛋白底物的机理；阐明了SPY独特的酶学催化反应机制；同时为GT41家族成员特异性选择糖基供体提供理论依据。

生命科学技术学院博士研究生朱立与硕士研究生韦熹婷为论文共同第一作者，徐曙彤教授为通讯作者。该课题组多名博士和硕士参与了研究。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35234-0#Ack1

发表CRISPR-Cas系统和原核Ago系统新作用范式的研究综述

近日，Trends in Microbiology杂志在线发表了华中农业大学农业微生物学国家重点实验室和生命科学技术学院、湖北省洪山实验室韩文元课题组关于CRISPR-Cas系统和原核Argonaute（Ago）系统新作用范式的综述文章“The abortive infection functions of CRISPR-Cas and Argonaute”。文章总结了CRISPR-Cas系统和原核Ago系统通过流产感染（abortive infection）提供免疫保护的各种机制，提出了这种免疫范式的统一模型，并对本领域下一步的研究作出展望。

图1 CRISPR-Cas和原核Ago系统的作用模式

CRISPR-Cas和原核Ago由于核酸介导的序列特异性核酸切割这一特征受到广泛关注。正是基于这一特征，它们被开发为基因编辑和其它序列特异性的分子工具。在它们的天然宿主中，这种活性可以切割外源核酸，从而抵御病毒等可移动元件的入侵。2011年，科学家初步确立了CRISPR-Cas系统的工作模式（图1），并提出了“三步”经典模型：（1）适应，CRISPR-Cas系统获得一小段外源核酸，并将其插入到CRISPR阵列中；（2）表达，CRISPR阵列的转录与转录本的处理产生CRISPR RNA（crRNA），即向导（guide）；（3）干扰，crRNA与Cas蛋白形成复合体，然后介导后者识别并切割与guide互补的外源核酸，即靶标（target）。2017年，部分原核Ago蛋白的工作机制初步得到研究，这些原核Ago能直接从外源核酸获取向导，然后在向导的介导下识别并切割靶标，从而发挥免疫功能。

然而，近年来，国内外多个课题组共同揭示了CRISPR-Cas系统和原核Ago系统的另一免疫范式，即流产感染。流产感染是一种杀死被感染细胞或造成细胞休眠，从而阻断病毒增殖并保护细胞群体的免疫策略。研究发现，III型、VI型、部分V型CRISPR-Cas系统和短型Ago系统能够介导流产感染。在这种流产感染响应中，关键之处仍然是向导介导下的靶标（外源核酸）识别，但这种识别并不导致靶标的切割或者靶标的切割不提供主要的免疫保护。相反，靶标的识别能够激活毒性效应蛋白，从而杀死被感染细胞或造成细胞休眠。目前已研究的效应蛋白包括核酸酶、NAD降解酶、蛋白酶、跨膜蛋白、转录因子等。有趣的是，这些效应蛋白往往编码于CRISPR-Cas和原核Ago的毗邻基因，因此科学家通过关联基因分析预测了更多的效应蛋白，也预示更多介导流产感染的CRISPR-Cas和原核Ago系统有待研究。

介导流产感染的CRISPR-Cas和原核Ago系统在微生物与病毒的“军备竞赛”中发挥重要作用。它们能降低病毒逃逸的几率，允许宿主获得有利的遗传元件，也能与其它免疫系统协同发挥作用，更高效地抵御病毒入侵。

另外，它们的效应蛋白具有极高的多样性，可能有各种各样特殊的活性。因此对这类系统的挖掘与鉴定也为开发更多序列特异性的分子工具打开了新的大门。

生命科学技术学院博士研究生陈玉为本文的第一作者，韩文元教授为通讯作者，生命科学技术学院博士研究生曾志锋，山东大学佘群新教授参与了部分工作。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0966842X22003134

在肉鸡胫骨软骨发育不良研究取得新进展

近日，华中农业大学李家奎教授团队在国际期刊Journal of Hazardous Materials发表题为“Thiram-induced hyperglycemia causes tibial dyschondroplasia by triggering aberrant ECM remodeling via the gut-pancreas axis in broiler chickens”的研究成果。该研究通过转录组、蛋白组与代谢组联合分析，验证了肉鸡胫骨软骨生长板ECM重塑在肉鸡胫骨软骨发育不良的重要影响，同时发现TD肉鸡胰岛功能紊乱引起的血糖升高是促发软骨细胞ECM过度重塑的重要原因。该研究为家禽胫骨软骨发育不良的机制解析和药物防治奠定了理论基础。

肉鸡胫骨软骨发育不良(Tibial Dyschondroplasia，TD)是快速生长肉鸡的常见多发性骨骼疾病，也是危害肉鸡养殖的重要疾病。该病临床表现为运动障碍、骨骼畸形、生长性能下降、易于发生骨髓炎，屠宰加工中容易骨折导致胴体品质下降。TD的发生严重影响鸡肉品质、造成家禽养殖行业大量经济损失。

TD肉鸡胫骨生长板蛋白质组学分析

发病TD肉鸡胫骨生长板潜在代谢通路

李家奎教授团队多年来一直专注于肉鸡胫骨软骨发育不良的发病机制解析和药物防治研究，前期相关成果已在《Ecotoxicology and Environmental Safety》《Phytomedicine 》和《poultry science》发表。本次研究以AA肉鸡作为研究材料建立福美双诱导的TD模型，对TD肉鸡和健康肉鸡的软骨生长板进行了转录组，蛋白质组和代谢组测序。通过关联分析发现TD发生过程中其生长板软骨细胞糖酵解功能显著下降，细胞外基质ECM合成途径显著增强，此外检测分析发现肉鸡发生TD涉及肠道菌群，胰岛功能和血糖代谢紊乱，且通过体内体外试验证明了肉鸡血糖代谢紊乱是促进软骨细胞ECM过度分泌，导致TD肉鸡胫骨生长板增厚，引起跛行的重要原因。本研究结果为肉鸡TD发生机制提供了新的理论见解，也为TD的防治和治疗提供了新的思路。

华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院在读博士生莫全为论文第一作者，李家奎教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389422021628