植物的記憶與普利昂蛋白

圖片來源:wiki
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撰文|葉綠舒

提到普利昂蛋白(prion),大家第一個想到的就是狂牛症。由於它們在1982年被發現會導致導致「狂牛症」與羊的搔癢症(Scrapie),使得大家聞普利昂蛋白而色變。但是,普利昂蛋白並不都是壞的喔!由於普利昂蛋白會自行複製,使得它很適合作為代代相傳的分子。有好些轉錄或轉譯調節蛋白以及RNA加工蛋白都有普利昂蛋白的結構域(prion domains,PrDs)在內。

●植物如何記憶「對的」光週期?

許多植物需要「對的」光週期持續一段時間後才能啓動開花程序。但是,有些植物只需要暴露在「對的」光週期一兩天,有些植物則需要一兩週或甚至一個月都是「對的」光週期,才能啟動開花程序。究竟植物是如何記得那「對的」光週期持續多久了呢?而它們又能記得這個資訊多久呢?不知道。目前的紀錄保持人是冬小麥:科學家們把經過冷處理後的冬小麥進行組織培養,長出的癒傷組織(callus)在培養為成株後,完全不需要春化處理(vernalization),便能在第一個春天就開花結果。這麼好的記憶,究竟是從哪裡來的?

最近的研究發現,植物或許也是透過具有類似普利昂蛋白質結構域的蛋白質,把這些資訊紀錄在植物細胞中。

由於植物對光週期的「記憶」超卓,因此來自麻省理工學院的研究團隊,嘗試著在擬南芥的基因體內尋找普利昂蛋白的蛋白質結構域。搜尋的結果一共找到475個含有普利昂蛋白結構域的基因:這些基因包括了轉錄調節蛋白、RNA連結蛋白、與RNA代謝相關的蛋白、與繁殖及發育相關的蛋白還有花朵發育相關的蛋白。其中,研究團隊挑選了LD(Luminidependens)、FPA(Flowering Locus PA)、FCA(Flowering Locus CA)與FY(Flowering Locus Y)這四個帶有普利昂蛋白質結構域的基因。

●四個與開花相關的普利昂蛋白基因

挑選這四個基因主要的原因,是因為它們都與開花相關。其中LD是個轉錄調節蛋白,而FPA與FCA則是RNA連結蛋白;至於FY則對於RNA的加工(RNA processing)有關。為了要測試它們是否具有類似於普利昂蛋白的特性,研究團隊將這四個蛋白在酵母菌(S. cerevisiae,啤酒酵母)中進行了一連串的測試。之所以選擇在酵母菌裡面,而不是在植物中直接進行,是因為目前(類)普利昂蛋白在植物中的功能未明,因此要測試只能以酵母菌來進行測試。

在多年前,科學家們便發現,酵母菌裡面有個Sup35蛋白,當它在一般構形時,它會讓一個與合成腺嘌呤相關的酵素ADE1無法產生,於是這個酵母菌就一定要給腺嘌呤才能長;而當它高量表現時,Sup35就會形成普利昂構形,這麼一來ADE1蛋白就可以產生,結果酵母菌就可以在不含腺嘌呤的培養基上面生長了。

用上面這個系統,研究團隊將Sup35的普利昂蛋白質結構域以LD、FPA、FCA或FY的普利昂蛋白質結構域取而代之,並進行一系列的測試。測試結果發現,其中的LD蛋白,具備有所有具有普利昂蛋白的特性:LD的普利昂蛋白質結構域在過量表現的狀況下,可以形成類似普利昂蛋白的結構,產生極為類似的效果。

這研究成果,是否意味著LD蛋白就是經由利用它的普利昂蛋白質結構域來記錄這些資訊,進而影響植物的發育呢?而其他三個蛋白質,是否也有類似的功能呢?這些都還需要進一步的研究。不過,這些成果提供了我們一個新的研究視角,真的是非常有意思呢!

參考文獻:Sohini Chakraborteea et. al. 2016. Luminidependens (LD) is an Arabidopsis protein with prion behavior. PNAS.doi: 10.1073/pnas.1604478113

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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