华中农业大学-学者联合揭示Gγ蛋白“尾巴”的演化密码

3月15日，华中农业大学张启发、欧阳亦聃团队联合扬州大学严长杰、孙生远团队在植物学期刊Plant Cell发表题为"Novel repetitive elements in plant-specific tails of Gγ proteins as the functional unit in G-protein signalling in crops"的研究论文。

G蛋白作为生物体内关键的信号传导枢纽，通过异源三聚体结构Gα、Gβ、Gγ调控细胞对外界环境的响应。早在1997年，华中农业大学水稻团队鉴定了负调控种子大小的基因Grain size 3（GS3），并于2006年克隆了该基因，其编码非典型的Gγ亚基。2010年，研究证实GS3的负调控功能由N端结构域（头）决定，而C端结构域（尾）具有抑制N端功能的作用。2018年，研究发现Gγ蛋白GS3、DEP1和GGC2互相拮抗共同调控种子的大小。2021年，中科院植物研究所与华中农业大学合作揭示了GS3蛋白稳定性的调控机制。2023年，中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业大学与华中农业大学等单位合作阐明了AT1/GS3调控作物耐碱的分子机制及其育种价值。

前期工作中，研究团队发现Gγ蛋白GS3、DEP1和GGC2的功能存在分化：GS3的尾巴负调控蛋白稳定性，而DEP1的尾巴对其正调控种子大小的功能至关重要。这些不同的Gγ蛋白是如何产生的，决定它们功能分化的关键变异以及演化机制又是什么？

图1. Gγ蛋白的起源演化过程

园艺学院2022届博士研究生祁世明为论文第一作者(目前为河西学院农业与生态工程学院副教授)，西北农林科技大学园艺学院梁燕教授为通讯作者。

为了回答这一疑问，研究团队深入分析了其演化路径，发现这三个互相拮抗的Gγ亚基的功能多样性源于独特的演化路径：1.3亿年前，单子叶植物祖先通过σ复制事件由一个拷贝产生了DEP1和GS3的祖先基因；7000万年前，禾本科再次发生ρ复制事件，DEP1复制产生了GGC2，这一分支在其尾部插入了多个活跃的重复序列元件，导致尾部逐渐延长；而GS3的祖先复制为两个Gγ蛋白后，丢失了一个拷贝；最终水稻保留了DEP1、GGC2和GS3三个Gγ蛋白。约500万至1200万年前，玉米ZmDEP1基因再次发生复制，产生了新的Gγ蛋白成员。这种“复制与重复元件协同驱动”的演化模式赋予了Gγ蛋白独特的尾部结构。

那么新产生的“尾巴”在Gγ信号转导中有何作用呢？研究人员构建了多个头尾互换的Gγ蛋白嵌合体，证实尾部是决定GS3与DEP1、GGC2功能分化的关键。进一步通过操纵尾部重复序列的缺失与插入，发现重复序列其邻近结构的改变可决定Gγ蛋白功能的极性转换。此外，N端“头部”负责与Gβ结合形成异源二聚体，二者互作减弱会降低G蛋白的信号传导。玉米的同源Gγ蛋白在信号传递机制上与水稻一致，表现出高度的保守性，进一步证实了同源蛋白功能分化在禾本科中的保守性。

图2. Gγ蛋白的功能演变

本研究揭示了C端结构域的功能分化决定G蛋白βγ二聚体的功能选择，为利用基因编辑技术对Gγ尾部进行模块化改造、协同改良作物产量和抗逆性等重要农艺性状提供了理论基础。

扬州大学孙生远副教授和硕士研究生程金良为共同第一作者；华中农业大学欧阳亦聃教授、张启发院士与扬州大学严长杰教授为共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金等项目资助。