项目文章｜华中农业大学运用定量蛋白组学对种群特异进化的基因新型互作网络研究
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前言
新基因在生物体内创造了新的遗传和表型多样性，为了获得新的分子和细胞功能，新基因必须整合到祖先的基因相互作用网络中，或者重塑新的基因相互作用网络。本文由鹿明生物合作客户华中农业大学涂金星博士研究团队在NEW PHYTOLOGIST发表的题为：“Two Young Genes Reshape a Novel Interaction Network in Brassica napus“的研究，本文作者运用iTRAQ定量蛋白质组学、转录组学研究筛选到甘蓝型油菜中Bnams4b和BnaMs3的相互作用蛋白，对两个种群特异性共同进化的年轻基因在植物中重塑了一个新型互作网络。
中文标题：甘蓝型油菜中两个新基因重塑新型相互作用网络
研究对象：甘蓝型油菜、拟南芥
发表期刊：NEW PHYTOLOGIST
影响因子：7.299
合作单位：华中农业大学
运用生物技术：iTRAQ定量蛋白质组学（由鹿明生物提供技术支持）、转录组学
研究背景
新基因经常推动基因相互作用网络的分化，在甘蓝型油菜中广泛使用的基因雄性不育系7365ABC由两个新基因Bnams4b和BnaMs3控制。但是，这两个新基因的相互作用机制仍不清楚。
实验设计
实验结果
1. 相互作用及表型研究
转基因实验发现BnaMs3可以恢复由Bnams4b引起的胚胎致死和绿化/白化病表型。酵母双杂交筛选发现Bnams4b与BTS相互作用，而BnaMs3与Toc33相互作用。随后作者发现AtBTS的异常定位导致一些转基因拟南芥植物表现出不育/半不育表型。而Bnams4b转基因植物显示出对拟南芥中bts突变体一样的铁缺乏耐受性（图1）。有报道表明油菜7365A进行热休克处理可以部分恢复Bnams4b相关的雄性繁殖力，作者通过Bnams4b-转基因拟南芥植物确认此现象，发现高温影响Bnams4b与BnaBTS之间的相互作用（图2a-c）。
图1 | 拟南芥转基因植物的铁缺乏耐受性
拟南芥中Bnams4b异位表达植物的表型表征和Bnams4b转基因植物的铁缺乏耐受性。
2.组学研究
为了更好地了解Bnams4b对植物生长和发育的整体影响，作者进行了转录组学和iTRAQ蛋白质组学分析。转录组发现存在BnaMs3时，Bnams4b的表达受到抑制（图2d-e）。蛋白水平结果表明Bnams4b和BnaMs3在相应的转基因株系中积累，且在Bnams4b转基因幼苗中发现Toc33积累增加。
图2 | Bnams4b转基因拟南芥植物的育性恢复
3.机制模型
作者提出了油菜7365ABC 中两个新基因的相互作用模型。当缺少Bnams4b时，BTS定位在细胞核中并正常运行，并且前体蛋白向叶绿体中的转运是正常的（图3a）。在含有Bnams4b的植物中，Bnams4b通过影响BTS向叶绿体的转运而重塑了相互作用网络从而影响叶绿体蛋白的转运，可能直接降解某些前体蛋白或干扰叶绿体外膜上的正常UPS并最终导致不育。
图3 | 7365ABC中新基因的新型相互作用网络的模型
实验结论
本研究目的为探究甘蓝型油菜中两个新基因Bnams4b和BnaMs3 的相互作用机制。首先确认了Bnams4b与核定位的E3连接酶BRUTUS（BTS）相互作用，AtBRUTUS（AtBTS）的异位表达以及Bnams4b转基因拟南芥和bts突变体之间的比较表明Bnams4b可能驱动BTS易位从而引起各种毒性缺陷。与BnaMs3 和AtTic40相比，BnaMs3与质体外膜转运蛋白Toc33具有排他性相互作用，并特别补偿了Bnams4b的毒性作用。热激处理也恢复了不育表型，高温抑制了酵母中Bnams4b与BTS之间的相互作用。此外，在Bnams4b-转基因拟南芥植物中，泛素系统和TOC组分积累受到影响。
综上所述，新的嵌合Bnams4b将BTS从细胞核转移至叶绿体，这可能会破坏正常的泛素-蛋白酶体系统，从而引起毒性作用，而这些缺陷可以通过BnaMs3-Toc33相互作用或环境热休克来弥补。
这项研究运用iTRAQ蛋白质组学分析和转录组学为Bnams4b和BnaMs3的作用机制提供了深入分析，并提供了证据表明两个共同进化的新基因可以重塑植物中的新型相互作用网络。
文献参考
Zhang,Z.Q.,Fan, Y., Xiong, J., et al. Two young genesreshape a novel interaction network in Brassica napus[J]. New Phytologist,2020, 225(1).
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