近日，中国科学院大连化学物理研究所天然产物及糖工程研究组尹恒研究员团队在植物糖生物学研究领域取得了新进展，鉴定了植物UDP-GlcNAc合成路径关键酶并揭示了UDP-GlcNAc影响O-GlcNAc糖基化调控植物生长的分子机制（图1）。 

图1 研究路线及主要结果

UDP-GlcNAc是蛋白N-糖基化和O-GlcNAc糖基化的直接糖供体，具有重要生物学功能，相关功能探索一直是糖生物学领域的研究热点。但植物中UDP-GlcNAc研究较少，甚至其生物合成途径中各关键酶尚未完全明确，更遑论对UDP-GlcNAc参与蛋白糖基化及对植物生长发育调控的功能与机制。

  本工作首先在模式植物拟南芥中鉴定了植物UDP-GlcNAc生物合成途径的第三个酶，即N-乙酰氨基葡萄糖磷酸变位酶（N-acetylglucosamine phosphate mutase，AGM），成功实现异源表达纯化并明确其酶学性质（图2）。

图2 AtAGM表达纯化及酶学性质表征

研究者进而构建系列突变株系统探索了UDP-GlcNAc在蛋白糖基化及植物生长发育过程的重要功能。如图1所示，敲低AtAGM基因会导致拟南芥UDP-GlcNAc含量显著下降，使得突变株幼苗期出现温度依赖性的生长缺陷，但在成苗期生长则更加旺盛，利用蛋白组检测发现成苗中系列生长相关蛋白显著上调。

进一步开展蛋白糖基化定量分析，发现虽然UDP-GlcNAc作为蛋白N-糖基化起始关键核苷酸糖供体，但其含量降低不会引起突变株中蛋白N-糖基化水平的显著变化（图3a-c）；与之相对的是，蛋白O-GlcNAc修饰水平在AtAGM敲低突变株中明显下降（图3e），值得一提的是，常用的O-GlcNAc糖基化抗体不适用于植物样品，因此研究者在本文的工作中建立利用了基于点击化学标记的检测方法（图3d）。

图3 AtAGM敲低突变株糖基化状态分析

继而，研究者利用O-GlcNAc糖基化受损突变体（图4a、b）及OGA抑制剂（图4c-e）证实蛋白O-GlcNAc糖基化水平受损是AtAGM敲低突变株幼苗期存在温度依赖表型的重要原因。由此说明，UDP-GlcNAc在植物生长发育过程的重要功能主要通过调控蛋白O-GlcNAc糖基化水平实现。

图4 O-GlcNAc糖基化受损是AtAGM敲低突变株出现表型变化的重要原因

   本工作首次鉴定了植物中AGM，完善了对植物UDP-GlcNAc合成途径的理解；揭示了AGM影响UDP-GlcNAc水平进而调控蛋白O-GlcNAc糖基化参与植物生长发育，加深了对植物蛋白O-GlcNAc糖基化的功能机制认知。此工作以“Protein O-GlcNAcylation impairment caused by N-acetylglucosamine phosphate mutase deficiency leads to growth variations in Arabidopsis thaliana”为题，发表于植物领域知名期刊The Plant Journal (https://doi.org/10.1111/tpj.16156)。该工作的第一作者是中科院大连化物所天然产物及糖工程研究组贾晓晨助理研究员。本研究中蛋白组检测得到了中科院大连化物所叶明亮研究员团队的大力帮助。上述工作得到国家自然科学基金、中科院青促会优秀会员、大连市科技创新基金计划重点学科重大课题等项目的支持。（文/图贾晓晨）

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