植物光信号途径调控因子PIF3是如何被发现的?

植物光信号途径调控因子PIF3是如何被发现的?

2018-04-14 22:18:42 104

植物光信号途径调控因子PIF3是如何被发现的?

光敏色素互作因子PIFs(phytochrome interacting factors)是一种可以与光受体光敏色素蛋白相互作用的bHLH家族转录因子,是光信号通路中的重要调控因子,对植物的生长和发育起着非常重要的调控作用。在PIF家族成员中,PIF3是最先被鉴定出来的,今天和各位分享一下PIF3发现背后的一个小故事。故事要从山东农业大学校友倪敏教授说起。


1982年,倪敏从当时山东农业大学的牧医系本科毕业留校,3年后公派出国到美国肯塔基大学做访问学者,两年后申请到了去俄克拉荷马大学读博士的机会,研究了5年植物蛋白质化学,在普渡大学接受2年的分子生物学训练,后来到了加州大学伯克利分校,正式与“光”结缘。加州大学伯克利分校令倪敏异常仰慕,他所在的植物生物学及微生物学系,师资中一半人是美国科学院院士,他的老板Peter Quail院士,在世界上最早解释了光的原理,更是光敏色素研究第一人。他实验室招的博士后,水平普遍很高,大家既能独立工作,也能够相互帮助。正式在伯克利的5年,倪敏在《Cell》和《Nature》上发出了2篇关于光的文章。

这两篇文章都是关于光敏色素的。光敏色素有钝化型和活化型两种形式,分别吸收红光和远红光而相互转化。植物通过光敏色素接收外界的光信号来调节本身的生长和发育,但是进行光调节的受体是什么,即植物细胞内哪个部分、哪种成分感觉光的存在、强弱、颜色等,在科学界却是未知的。Peter Quail院士在1985年就拿到了这个受体的基因,却不知道怎么分析下去。看到倪敏是个喜欢摸索又能耐住性子的人,又有着扎实的蛋白学和分子生物学背景,Peter Quail就让倪敏破解这个基因。很长一段时间,倪敏就在一个庞大的基因库中逐一筛选,最终在细胞核上找到了PIF3,这个光信号途径极为重要的组成部分。

当时,分离提取基因的方法在植物上面还没有成熟的技术,倪敏就参照动物研究的方法,做了半年多,用各种方法试验,一直没有进展。他猜想可能是基因库小的原因,偶然发现隔壁的实验室有个大库,就扩大了自己筛选的范围,最后发现了PIF3。要证明蛋白互作,倪敏一度尝试用大肠杆菌和酵母菌作载体,但是都失败了。在到处寻找载体时,偶然间,他看到了红细胞抽取液,放进去一段DNA后,这种抽取液竟然成了非常理想的媒介。植物光敏素里的光团是个大分子,光一照,里面的蛋白就变了,没有办法进行分离。换了海草来试验,竟然表现出了与植物一模一样的表现,这让倪敏非常高兴。光敏素蛋白被注入红细胞抽取液,把试管放置于冰上,红光一照,两个蛋白靠近了,活了;用远红光一照,两个蛋白分开了,一分钟就掉下来。这充分说明蛋白也是有活性的,而光能调节蛋白互作,和学术界十二世纪四十年代的科学猜想吻合了。

发现让人兴奋,但是老板却不相信,因为他一直认为这个蛋白应该在细胞膜上。实际上,这个蛋白一开始的确是在细胞膜上,但是通过一步步的信息传导,就到了细胞核上,正是这种游动与传导,一步步调节细胞变化,从而促进植物的生长。老板不承认结果,倪敏只好继续往下做。不料半年后,实验室里一个博士后在分离基因做突变体时,也发现了那个蛋白。一个从生化机理突破,一个从突变体深入,却碰上了同样的蛋白。老板终于打消了怀疑,催促倪敏快点整理文章。1998年,倪敏投寄给《Cell》的文章发表,1999年,《Nature》又刊登了倪敏的发现。PIF3,这个里程碑式的蛋白,成就了Peter Quail实验室前后几十篇的《Science》、《Nature》和《Cell》。

之后,在植物光信号领域,世界各地科学家围绕PIF3做出了一系列优秀工作。

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倪敏教授(左二)

倪敏,教授,1982毕业于山东农业大学,先后获美国肯塔基大学作物学硕士及美国奥克拉荷马大学植物学博士。然后在美国普渡大学及加州大学伯克利分校从事博士后研究。美国明尼苏达大学双城校区植物生物学系教授。2013年3月入选国家“千人计划”,山东农业大学生科院植物发育分子生物学教授。