在陆地植物中，叶绿体基因组包含约130个基因，但却编码约3000种不同的蛋白质
【1】
。因此，正常行使叶绿体功能不仅需要表达叶绿体编码的蛋白，还需要表达大量的核编码蛋白，这些蛋白在翻译后被导入叶绿体中。PPR
（pentatricopeptide repeat domain）
蛋白家族就是其中一类。它们在植物中的数量众多
（拟南芥中约为450个，而在人类和酵母中则少于10个）
，其成员包含由35个氨基酸组成的重复序列，可促进RNA结合，使其能够调控叶绿体和线粒体的关键基因的表达
【2】
。通过与细胞器RNA的结合，PPR蛋白还可稳定基因转录本，促进转录后加工和蛋白翻译
【2, 3】
。但是，在导入叶绿体之前，PPR的表达如何受到调控却知之甚少。
E3泛素连接酶NOT4包含环指结构域
（RING finger）
和RNA识别基序
（RNA Recognition Motif，RRM）
，在蛋白质的水解和RNA生物学中发挥重要作用
【4-6】
。研究还发现，NOT4可作为酵母中乙酰化依赖的N-degron途径的E3连接酶
【7】
。尽管在酵母和哺乳动物中，NOT4在共翻译控制和调控mRNA与蛋白质稳定性的核心作用已被揭示，但在植物中NOT4 E3连接酶的功能以及与PPR蛋白是否存在调控关系尚不清楚。
近日，英国伯明翰大学
Daniel J. Gibbs
团队在
Nature Communications
发表了题为
The Arabidopsis NOT4A E3 ligase promotes PGR3 expression and regulates chloroplast translation
的研究论文，
报道了
E3泛素连接酶NOT4A
促进
PGR3
的表达调控叶绿体翻译
。
在该研究中，作者首先通过BLAST分析发现，拟南芥的基因组中共编码3个与酿酒酵母ScNOT4同源的蛋白
（NOT4A-C）
。对突变体的表型鉴定显示，在正常的生长条件下，只有
not4a
突变体表现出浅黄色表型，并且发育明显延迟，光合作用受到损害。为解析
not4a
表型缺陷的机制，作者通过RNA-seq分析了
not4a中
与叶绿体功能相关的差异表达基因
（differentially expressed genes, DEGs）
，共鉴定到819个DEGs，包括34个
PRR
基因。值得注意的是，
PGR3
在
not4a
中被下调至不可检测的水平，但在N4A-G3互补系中恢复至WT水平。
进一步的，作者发现
pgr3-4
突变体与
not4a
具有相似的发育延迟和浅黄色表型。为探究PGR3是否与NOT4A同样在叶绿体翻译中发挥作用，作者检测了该突变体对林可霉素的敏感性。结果显示，
pgr3-4
展现出与
not4a
相似的超敏感性。蛋白质组学数据表明，
not4a
对林可霉素的敏感性可能是由于突变体中叶绿体核糖体的30S亚基耗竭所致。与
not4a
相似，
pgr3-4
突变体减少了30S叶绿体核糖体亚基RPS1和RPS7的丰度，而50S RPL2和RPL4亚基的水平与WT相当。此外，两个突变体中与30S相关的16S rRNA均显著减少。最后，从遗传角度，作者在
not4a
和WT的背景下构建了
pPGR3::PGR3-YFP
转基因株系。在PGR3蛋白水平相当的前提下，
not4a
背景下
PGR3
的转录水平比WT背景下的提高2-6倍。而且，
pPGR3::PGR3-YFP
/
not4a
可以恢复
not4a
的浅黄色和林可霉素敏感的表型，表明
PGR3
的表达需要NOT4A。
PGR3可以挽救
not4a
突变体中与叶绿体相关的表型缺陷
总之，该研究将在进化上保守的E3泛素连接酶、PPR蛋白表达的控制和叶绿体功能的调控三者之间建立了联系。通过促进
PGR3
的表达和叶绿体的翻译，NOT4A对在发育和应激反应过程中确保强大的光合作用至关重要。
参考文献
1. Zoschke, R. & Bock, R. Chloroplast translation: structural and functional organization, operational control, and regulation. Plant Cell 30, 745–770 (2018).
