蛋白质精氨酸甲基化修饰参与植物抗病毒的免疫机制
蛋白质精氨酸甲基化修饰参与植物抗病毒的免疫机制
近日，中科院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队和华中农业大学李峰教授团队联合攻关，揭示了番茄中PRMT6通过介导病毒基因沉默抑制子VSR（Viral Suppressor of RNAi，VSR）发生精氨酸甲基化修饰参与植物抗病防御的新机制，拓宽了人们对PRMT生物学功能的认知。
蛋白质精氨酸甲基化修饰是真核生物中广泛存在的、进化上保守的具有重要调控功能的蛋白质翻译后修饰之一，该修饰由蛋白质精氨酸甲基转移酶（Protein Arginine Methyltransferases，PRMTs）催化完成。依据催化类型的不同，PRMTs主要分为催化形成非对称性双甲基化的I型酶和催化形成对称性双甲基化的II型酶（图1）。I型和II型的PRMTs均可以催化精氨酸发生单甲基化（MMA，单甲基化的ω-NG-mono-methyl arginine）。其中，I型PRMTs可以继续催化生成非对称型的双甲基化精氨酸（ADMA，两个甲基在同一个氮原子上）；II型PRMTs则继续催化生成对称型的双甲基化精氨酸（SDMA，两个甲基分别在两个不同的氮原子上）。
图1 精氨酸甲基化修饰类型及建立示意图
PRMTs通过甲基化组蛋白和非组蛋白，在转录及转录后水平上实现对基因表达的精细调控，参与包括染色质重塑、RNA代谢、信号转导和细胞凋亡等多种重要的细胞生命过程，进而决定细胞的分化与个体的生长发育。近年来的研究表明，动物中PRMT的缺失突变不仅会导致严重的生长发育异常，而且与癌症等重要疾病的发生密切相关；植物中的研究发现，高等植物拟南芥中PRMT（AtPRMT3、AtPRMT4a/4b、AtPRMT5 和AtPRMT10）的缺失突变会导致拟南芥开花时间延迟以及生长发育异常，表明精氨酸甲基化修饰在不同物种中均具有重要的生物学功能。鉴于蛋白质精氨酸甲基化修饰功能的保守性，并且与动物发育和人类疾病息息相关，解析PRMTs在生物体内的功能意义深远。
尽管PRMTs在动植物中的功能都是至关重要且相对保守，有关精氨酸甲基化修饰调控蛋白质功能进而参与调控植物的生长发育和逆境响应的研究也取得了长足的进展等。然而关于PRMTs如何参与植物抗病还知之甚少。
这项研究工作始于多年前的偶然发现。彼时，来自巴基斯坦的Ayaz Ahmad在曹晓风院士实验室攻读博士学位。Ayaz Ahmad博士的前期工作发现AtPRMT6过表达可以恢复拟南芥P19过表达的表型，敲除PRMT6则加剧了P19过表达的表型，暗示PRMT6可能参与植物抗病毒反应。siRNA介导的抗病毒基因沉默机制是一种高效的抗病毒天然免疫机制，在植物防御病毒侵染过程中发挥着重要作用；而病毒则通过编码病毒RNAi抑制子VSR来拮抗RNAi抗病毒免疫，这对于病毒成功侵染植物至关重要。P19蛋白作为番茄丛矮病毒（Tomato bushy stunt virus，TBSV）编码的VSR蛋白，可以通过靶向双链siRNA抑制植物抗病毒的基因沉默机制。鉴于TBSV的天然宿主为番茄，为了探究PRMT6是否在植物与病毒互作中发挥功能，曹晓风院士团队和李峰教授团队转而将PRMT6在抗病毒方面的研究在番茄中开展。
研究人员首先构建了番茄中PRMT6的敲除突变体以及过表达的转基因材料，然后观察其对TBSV的抗性。结果表明，番茄SlyPRMT6的敲除材料对TBSV抗性减弱，而SlyPRMT6的过表达材料对TBSV抗性提高，从而证实了SlyPRMT6参与番茄的抗病毒反应。随后，为了进一步揭示SlyPRMT6参与抗TBSV的具体机制，作者通过BiFC实验筛选由TBSV编码的哪些蛋白（P33，P92，P41，P22和P19）可以与SlyPRMT6互作。结果显示，在众多TBSV编码的蛋白中，只有P19能够与SlyPRMT6互作，二者之间的互作通过Co-IP实验被证明在番茄体内同样存在。
那么，SlyPRMT6与P19的互作是否会影响P19的VSR活性呢？答案是肯定的。沉默抑制试验表明SlyPRMT6可以抑制P19蛋白的VSR功能。其具体机制是SlyPRMT6与P19发生互作后，SlyPRMT6催化P19蛋白第43、115、128和158位的精氨酸发生非对称型双甲基化修饰；进一步的实验表明，第43位精氨酸的双甲基化修饰抑制了P19同源二聚体的形成，第115位精氨酸的双甲基化修饰则抑制了P19二聚体与siRNA的结合，从而调控了P19沉默抑制子功能。
更重要的是，该研究还对番茄自然群体进行了分析，发现自然群体中与SlyPRMT6表达水平相关的两个主要等位基因分别与病毒抗性存在显著正相关（图2），表明PRMT6的表达水平可以作为评估番茄对TBSV抗性的一个有用的分子标记。此外，除了SlyPRMT6之外，其他植物中抗病毒的研究发现PRMT家族的其他成员在植物病毒抗性中同样发挥着重要作用。例如，PRMT5通过对拟南芥AGO2的双重调节作用（AGO2的精氨酸甲基化既为TSNs蛋白的结合提供了基础，又实现了自身蛋白的稳定平衡）影响了植物对细菌的免疫应答反应。因此，进一步研究PRMT家族成员在植物病毒抗性中的作用机制，可能会为植物病毒防治提供新的策略；同时，探索PRMT家族基因中的自然变异对于培育抗病毒作物具有潜在价值。
图2 自然群体中PRMT6等位基因有助于提高番茄对TBSV的抗性。
论文摘要
病毒基因沉默抑制子VSR（Viral Suppressor of RNAi，VSR）对于病毒成功感染植物至关重要。植物进化出了基于抗病蛋白NLR（Nucleotide-binding and leucine rich repeat，NLR）和自噬等机制介导的防御反应来靶向病毒VSR以应对病毒的VSR策略。在这项研究工作中，作者报道了一种蛋白精氨酸甲基转移酶PRMT6（Protein Arginine Methyltransferase 6，PRMT6）介导的针对VSR的防御机制。在番茄植物中敲除和过表达PRMT6分别导致TBSV感染期间病状的增强和减少。PRMT6通过与P19互作并催化P19的关键精氨酸残基R43和R115发生双甲基化修饰抑制其二聚化和与小RNA的结合活性从而抑制P19沉默抑制子功能。对自然番茄群体的分析表明，与高、低水平的PRMT6表达相关的主要等位基因分别与高、低水平的病毒抗性显著相关。总的来说，该研究发现了PRMT6介导的VSR精氨酸甲基化作为植物抵抗病毒的免疫机制。
Viral suppressor RNA silencing (VSR) is essential for successful infection. Nucleotide-binding and leucine rich repeat (NLR)-based and autophagy-mediated immune responses have been reported to target VSR as counter-defense strategies. Here, we report a protein arginine methyltransferase 6 (PRMT6)-mediated defense mechanism targeting VSR. The knockout and overexpression of PRMT6 in tomato plants lead to enhanced and reduced disease symptoms, respectively, during tomato bush stunt virus (TBSV) infection. PRMT6 interacts with and inhibits the VSR function of TBSV P19 by methylating its key arginine residues R43andR115, thereby reducing its dimerization and small RNA-binding activities. Analysis of the natural tomato population reveals that two major alleles associated with high and low levels of PRMT6 expression are significantly associated with high and low levels of viral resistance, respectively. Our study establishes PRMT6-mediated arginine methylation of VSR as a mechanism of plant immunity against viruses.