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過氧化氫（雙氧水，H2O2）作為最主要的活性氧（ROS）成分，在單細(xì)胞到多細(xì)胞生物體內(nèi)作為信號(hào)分子發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。細(xì)胞可利用其質(zhì)膜上的NADPH氧化酶等在胞外產(chǎn)生過氧化氫（extracellular H2O2, eH2O2）甲醇報(bào)警器，并進(jìn)一步誘導(dǎo)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而調(diào)控生物的生長、發(fā)育及其對(duì)外界脅迫的響應(yīng)【1,2】。在植物中，胞外過氧化氫在根系發(fā)育，花粉管生長，器官凋萎以及應(yīng)對(duì)生物、非生物脅迫響應(yīng)等諸多生理過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用【2】。前期在動(dòng)物和植物中的研究表明，胞外過氧化氫通過水通道進(jìn)入胞質(zhì)，進(jìn)而氧化修飾胞內(nèi)蛋白質(zhì)，從而發(fā)揮功能【1,2】。但是細(xì)胞表面是否存在過氧化氫的受體仍不為人所知。

2020年2月19日，美國杜克大學(xué)、北卡大學(xué)教堂山分校和國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)合作在Nature發(fā)表了題為Hydrogen-peroxide sensor HPCA1 is an LRR receptor kinase in Arabidopsis 的研究論文【3】（杜克大學(xué)Zhen-Ming Pei教授為該論文的通訊作者， 吳飛華博士為第一作者）。該研究首次發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞表面過氧化氫受體HPCA1（hydrogen-peroxide-inducedCa2+ increases 1），并揭示了其作用機(jī)制。該研究是植物環(huán)境感受和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的又一突破性研究成果。Nature雜志同期配發(fā)了英國伯明翰大學(xué)Christine Foyer教授撰寫的題為Making sense of hydrogen perxodie signals的評(píng)論文章過氧化氫，對(duì)該工作進(jìn)行了解讀和點(diǎn)評(píng)。

2000年，Zhen-Ming Pei等在Nature發(fā)表論文報(bào)道了過氧化氫激活質(zhì)膜鈣內(nèi)流離子通道從而導(dǎo)致胞內(nèi)鈣上升，這一過程在脫落酸（ABA）誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉過程中起著關(guān)鍵作用【4】。其后大量的生理研究表明，過氧化氫所誘導(dǎo)的鈣內(nèi)流是其發(fā)揮生理功能的主要機(jī)制，然而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加的過氧化氫受體及其作用的分子機(jī)制始終不清楚。

為了尋找過氧化氫導(dǎo)致鈣增加的分子機(jī)制過氧化氫，研究人員先后采用了經(jīng)典的擬南芥突變體篩選法【5】和動(dòng)物細(xì)胞系進(jìn)行的表達(dá)克隆等方法【6】，但均沒有找到相關(guān)基因。經(jīng)過多年的摸索甲烷報(bào)警器，研究人員在采用基于細(xì)胞內(nèi)鈣成像的正向遺傳篩選法成功克隆植物滲透感受器OSCA1和植物鹽受體GIPC的基礎(chǔ)上【7,8】，進(jìn)一步篩選獲得了胞外過氧化氫激活細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加的缺陷型擬南芥遺傳突變體（hpca1）。

Isolation of Arabidopsis mutants defective inH2O2-inducedCa2+increases.

胞外過氧化氫刺激下，水母鈣熒光蛋白成像顯示，hpca1突變體的胞內(nèi)鈣離子濃度增加明顯下降，但是滲透和鹽脅迫導(dǎo)致的鈣增加沒有發(fā)生變化，說明該突變體只影響胞外過氧化氫鈣信號(hào)傳導(dǎo)。利用另外一個(gè)鈣指示蛋白Cameleon YC3.6的成像也驗(yàn)證了在hpca1突變體保衛(wèi)細(xì)胞中，過氧化氫鈣信號(hào)減弱，而且鈣內(nèi)流電流也減弱。同時(shí)，在hpca1突變體中，過氧化氫誘導(dǎo)和ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉也受到明顯影響。

Diagram depicts hpca1 mutations, Cys residues in the hydrogen peroxide domain, and phosphorylation sites.

利用基因組重測(cè)序發(fā)現(xiàn)過氧化氫，有三個(gè)hpca1突變體均定位在一個(gè)之前未詳細(xì)報(bào)道功能的富含亮氨酸重復(fù)類受體蛋白激酶 (LRR-RLKs, AT5G49760)，該激酶屬于VIII-1亞型，在胞外的LRR結(jié)構(gòu)域與跨膜結(jié)構(gòu)之間存在一個(gè)進(jìn)化保守的富含半胱氨酸區(qū)間，被作者命名為HP domain（過氧化氫感受結(jié)構(gòu)域）。HPCA1蛋白具有激酶活性，且施加的過氧化氫可劑量依賴性激活其自磷酸化水平，進(jìn)一步的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)其激酶活性是蛋白功能所必須的。

最后，研究人員進(jìn)一步通過藥理學(xué)和遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，證實(shí)了該受體激酶的HP domain中胞外還原性的Cys殘基可以被胞外過氧化氫氧化，而且作用位點(diǎn)在胞外，充分證明了該受體激酶在胞外過氧化氫感受的分子機(jī)理。

Model for HPCA1 as cell-surface sensors for eH2O2

該研究是利用鈣成像篩選植物環(huán)境感受分子機(jī)制的又一突破性成果，揭示了20年前發(fā)現(xiàn)的外源過氧化氫激活鈣離子通道的關(guān)鍵組分。顯然，未來發(fā)現(xiàn)HPCA1激活的鈣離子通道分子特性將有利于進(jìn)一步完善植物感受過氧化氫的分子機(jī)制?？傊?，該研究對(duì)進(jìn)一步揭示植物適應(yīng)全球環(huán)境變化的生理生態(tài)效應(yīng)及分子機(jī)制具有重大的理論意義，同時(shí)也對(duì)培育提高抗逆性農(nóng)作物品種有極其廣泛的應(yīng)用前景【9】。

參考文獻(xiàn)

1. Sies, H., C. Berndt, and D.P. Jones, Oxidative stress. Annual Review of Biochemistry, 2017. 86: p. 715-748.

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3. Wu, F., et al., Hydrogen-peroxide sensor HPCA1 is an LRR receptor kinase in Arabidopsis. Nature, 2020.

4. Pei, Z.-M., et al., Calcium channels activated by hydrogen peroxide mediate abscisic acid signalling in guard cells. Nature, 2000. 406(6797): p. 731-4.

5. He, Y., et al., Nitric oxide represses the Arabidopsis floral transition. Science, 2004. 305(5692): p. 1968-1971.

6. Han, S.C., et al., A cell surface receptor mediates extracellular Ca2+ sensing in guard cells. Nature, 2003. 425(6954): p. 196-200.

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8.Yuan, F., et al., OSCA1 mediates osmotic-stress-evoked Ca2+ increases vital for osmosensing in Arabidopsis. Nature, 2014. 514: p. 367-371.

9.Kim, T.H., et al., Guard cell signal transduction network: advances in understanding abscisic acid, CO2, and Ca2+ signaling. Annual Review of Plant Biology, 2010. 61: p. 561-591.

論文鏈接：

/10.1038/s41586-020-2032-3

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