南開大學(xué)李磊教授：蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)分析-植物能量高效利用的新視角
——訪南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李磊教授
光合蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)研究-植物生長/逆境應(yīng)答的能量基礎(chǔ)
光是植物光合作用的基礎(chǔ)，對植物的生長周期、結(jié)構(gòu)、外觀和品質(zhì)等都具有直接和間接的影響。但是光逆境引起的光抑制會降低光合作用產(chǎn)率，造成農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物大幅度的減產(chǎn)。在全球氣候惡化、糧食安全問題日益凸顯的今天，如何發(fā)現(xiàn)并修復(fù)光損傷蛋白質(zhì)，穩(wěn)定提高植物的光合作用效率，是對于基礎(chǔ)科研和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)同等重要的科學(xué)難題。
南開大學(xué)李磊教授利用蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析平臺，系統(tǒng)解析了模式植物擬南芥高光損傷的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率，發(fā)現(xiàn)了新的光損傷蛋白質(zhì)酶穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制。為此，分析測試百科網(wǎng)近日采訪了李磊教授，圍繞其課題展開討論，為我們揭示其中的奧秘。
青年科學(xué)家
李磊教授在西澳大學(xué)獲得植物生物化學(xué)博士學(xué)位，曾任澳大利亞植物能源中心（ARC-CPEB）助理研究員，期間至比利時VIB所短期合作研究，2018年9月受聘南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，入選南開大學(xué)“百青計劃”。
李磊教授致力于植物生物化學(xué)研究，開展了蛋白穩(wěn)定性、蛋白復(fù)合體組裝和蛋白降解途徑的研究。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇，包括Trends in Plant Science、PNAS和Plant Cell等，多篇成為Web of Science高引用論文，多次受邀在植物生物化學(xué)和國際蛋白組學(xué)會議做主題報告，2017年被中澳科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新大會授予“青年科學(xué)家獎”，Nature Plants、Cell Reports和eLife等學(xué)術(shù)期刊審稿人。
能量細(xì)胞器-光穩(wěn)態(tài)研究的核心
植物細(xì)胞器中葉綠體和線粒體占到植物細(xì)胞蛋白質(zhì)的總量的85%，在植物能量轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。李磊教授在南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院創(chuàng)建了蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率測定的蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析平臺，主要研究方向即為植物葉綠體和線粒體的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)調(diào)控。其中，穩(wěn)定同位素標(biāo)記的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)是主要手段之一，同時需結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)以及分子生物學(xué)等多方面的方法開展策略研究。
目前研究工作主要圍繞兩個方面，一方面是逆境對植物能量細(xì)胞器的影響，尤其是在高光照這個非生物逆境對于葉綠體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)調(diào)控方向。另一方面是針對前期工作中發(fā)現(xiàn)的線粒體中一些高周轉(zhuǎn)率的蛋白質(zhì)，對于植物線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控機(jī)制的研究。
值得注意的是，深入研究能量細(xì)胞器，需要對細(xì)胞器進(jìn)行純化、分離處理，這對于細(xì)胞器的研究帶來了額外的技術(shù)手段的要求，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。
蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率-植物能量利用的動態(tài)研究
蛋白質(zhì)的合成和降解決定了蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)的動態(tài)過程。這個周轉(zhuǎn)過程需要消耗大量能量分子ATP，占到了呼吸作用的30%到50%的能量甚至更多。周轉(zhuǎn)率研究的是蛋白質(zhì)分子合成降解的動態(tài)過程，而不僅僅局限于傳統(tǒng)蛋白質(zhì)對于蛋白質(zhì)表達(dá)豐度或翻譯后修飾等方面。“這是一個新的研究策略”李磊教授說。經(jīng)過十多年的努力，創(chuàng)建了蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率研究技術(shù)平臺。
蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率分析一方面可以分析哪些是高周轉(zhuǎn)蛋白，另一方面可以計算哪些蛋白質(zhì)在細(xì)胞周轉(zhuǎn)中消耗更多的能量。可以廣泛應(yīng)用在植物逆境或細(xì)胞發(fā)育過程的研究中。這對于植物能量高效利用以及未來建立能量高效農(nóng)業(yè)，都有潛在應(yīng)用價值。
蛋白質(zhì)組學(xué)-蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率的主要分析手段
蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率的研究的方法，具體而言，是應(yīng)用重的穩(wěn)定同位素標(biāo)記法，通過質(zhì)譜分析，對標(biāo)記后的蛋白質(zhì)分子的肽段進(jìn)行分離和定量。計算新合成的被穩(wěn)定同位素標(biāo)記的蛋白質(zhì)和原來的蛋白質(zhì)之間的比例，進(jìn)而得到蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)率。
李磊教授研究團(tuán)隊(duì)利用穩(wěn)定同位素13CO2標(biāo)記，通過蛋白質(zhì)組學(xué)質(zhì)譜分析的方法，發(fā)現(xiàn)了高強(qiáng)度光照可以激活包括D1在內(nèi)的七十多種蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率快速升高。結(jié)合多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高光可引發(fā)廣泛的蛋白質(zhì)降解，相關(guān)蛋白質(zhì)的編碼基因多數(shù)被激活表達(dá)，但蛋白質(zhì)的豐度并未發(fā)生明顯變化。該發(fā)現(xiàn)解決了長久以來困擾生物學(xué)家的基因表達(dá)發(fā)生顯著激活，而蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)得以維持的生物學(xué)問題。僅有少數(shù)蛋白質(zhì)的編碼基因未被激活，蛋白質(zhì)水平呈現(xiàn)降低趨勢，從而成為光損傷的蛋白質(zhì)靶點(diǎn)。這些靶標(biāo)蛋白質(zhì)為未來穩(wěn)定提高光合作用效率應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
分析手段與研究展望
李磊教授從事植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究有將近15年時間，質(zhì)譜分析儀器是蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率研究的利器之一?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀器靈敏度、分辨率、覆蓋率等方面的性能越來越高，對于蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)包括其在內(nèi)的植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究具有非常大的推動作用。
談到未來生命科學(xué)及科學(xué)儀器的發(fā)展，李磊教授希望未來在單細(xì)胞，甚至單細(xì)胞器的蛋白質(zhì)組學(xué)分析方面能取得突破。在亞細(xì)胞水平上，進(jìn)一步提高分析的深度，讓生命科學(xué)研究更加聚焦。這需要學(xué)界和質(zhì)譜儀器公司從科學(xué)問題和儀器性能的不同角度來共同來推動。
目前，國內(nèi)植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究著眼于在大的方向或領(lǐng)域，而國外研究相對聚焦具體的科學(xué)問題。國內(nèi)植物蛋白質(zhì)組學(xué)研究處于高速發(fā)展階段，李磊教授團(tuán)隊(duì)正在積極發(fā)展，迎頭趕上，爭取揭開更多的、更聚焦的生物學(xué)問題的奧秘。
