综述| CURR OPIN PLANT BIOL：对植物代谢组的功能性理解
编译：秦时明月，编辑：谢衣、江舜尧。
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植物是真正的有机化学家—植物代谢物拥有丰富的化学多样性与功能多样性。在植物中经常有意想不到的代谢物被发现，既有在进化上保守并具有显著特征的中枢代谢物，如氨基酸、核苷酸和糖类，也有一些特异或次生代谢物，如类胡萝卜素、硫代葡萄糖苷和萜类。本篇综述旨在总结最近报道的一些代谢物的新功能，并探讨在细胞范围内鉴定代谢物-蛋白质复合物对于全面了解植物代谢组功能的重要性。
论文ID
原名：Towards a functional understanding of the plant metabolome
译名：对植物代谢组的功能性理解
期刊：Current Opinion in Plant Biology
IF：7.508
发表时间：2020.2
通讯作者：Aleksandra Skirycz
通讯作者单位：马克斯·普朗克分子植物生理学研究所
内容
植物代谢物小分子数量从数万到数十万不等，甚至在被广泛研究的植物物种，如拟南芥(Arabiopsis Thaliana)中也发现了新的化学物质。近期的一项研究发现了50多个未知的、由拟南芥根部产生的三萜类化合物，它们被用来调节根际微生物。目前，科学家们还不能完全掌握植物代谢组的复杂性和许多已知代谢物的作用方式。以前已被研究过的化合物也正在被赋予新的功能。例如一项研究证明了谷氨酸在激活远距离钙调植物防御信号中的作用。本篇综述旨在总结植物代谢物新发现的功能，这些功能超出了初级代谢和次级代谢的功能划分，并讨论最近发现的一些次生代谢物，它们颠覆了防御性代谢物的传统概念。本文还将探讨如何利用新兴的生物化学方法在细胞范围内鉴定代谢物-蛋白质复合物，以深化对植物代谢组的全面理解。
1 核苷酸，从生命控制中心到信号转导
核苷酸是DNA和RNA组成的基石，但是它们在新陈代谢和信号转导中还有许多其他重要的作用。长期在细胞内维持中低浓度的三磷酸腺苷(ATP)是活性细胞中检测到的最丰富的化合物之一。ATP最为人所知的功能是其可作为能量的储存库，为依赖能量的生化反应提供燃料，如代谢转化、运输和细胞骨架重排等。ATP也是重要的变构调节剂，也是磷酸化反应的磷酸盐来源。除了这些公认的功能之外，在过去的几年里，ATP被赋予了更多的功能，这些功能得到了以ATP相关蛋白为靶标的蛋白组研究的支持。然而，这些数据是基于对植物以外的生物的研究，但是因为它们与重要的生物学事件有关，如高分子复合物的重塑、无膜细胞器的形成和蛋白质的溶解，所以在植物中，ATP在这些现象中的功能可能也是保守的。
ATP的胞外浓度远低于胞内浓度。在动物中，细胞外ATP(eATP)通过激活细胞表面嘌呤受体而发挥重要的信号转导作用。与动物相似，植物也能感知eATP。2014年，第一个也是迄今为止唯一的植物eATP受体通过一个全面的正向遗传研究被鉴定出来。Does not respond to nucleotides 1’(DORN1)，一种凝集素受体激酶，在感知到植物受到胁迫或损伤时，与细胞释放的eATP相结合，进而诱导钙调反应、活性氧(ROS)的产生、茉莉酸信号转导途径激活、防御基因的表达、丝裂原活化激酶的激活以及气孔关闭。DORN1通过激活下游目标蛋白的磷酸化起作用，包括直接参与ROS产生的NADPH氧化酶RBOHD。
eATP是一种典型的在进化上保守的信号分子，它与植物和动物中都普遍存在的生理过程(例如，ROS积累)相关，但其涉及不同的信号途径。DORN1在结构上与动物嘌呤受体无关，因此不能通过序列同源性搜索来鉴定其功能。保守的信号分子并不只有eATP。事实上，植物中产生的许多信号/调节化合物在动物细胞中也有发现，但它们的作用模式不同。一种众所周知的信号核苷酸是3’，5’-环磷酸腺苷(3’，5’-cAMP)。在动物细胞中，3’，5’-cAMP起第二信使的作用，通过结合来激活蛋白激酶A(PKA)，进而使多种底物磷酸化。对3’，5’-cAMP的细胞通透性实验表明，3’，5’-cAMP在植物中是有功能的，因为它不仅影响内源3’，5’-cAMP的水平，而且还影响参与生物胁迫的蛋白质的丰度。最近的一项研究表明，3’，5’-cAMP在细胞中的缺乏会负调控细胞增殖和植物对Pseudomonas syringae病菌的免疫力。然而，与动物相比，植物缺乏PKA，并且到目前为止，寻找植物特异性的3’，5’-cAMP受体的研究还没有成功。
小分子代谢物的一个显著特征是会特异识别与其配对的伴侣蛋白质。现阶段的研究已经发现结构非常相似的化合物可能会与不同的蛋白质结合。例如，2’，3’-cAMP是3’，5’-cAMP的位置异构体，是一种进化上保守的小分子，但是这两个化合物的功能差别非常大。2’，3’-cAMP是一种RNA降解产物，在胁迫条件下在细胞中积累，并且在细胞中迅速转化为腺苷。研究表明，至少在植物中，2’，3’-cAMP可以与参与应激颗粒(SG)组装的关键蛋白—RNA结合蛋白47b(Rbp47b)的RNA结合域结合，从而促进SG的形成，而3’，5’-cAMP并不具备这一功能。
除了eATP、3’，5’-cAMP和2’，3’-cAMP这几个在植物中已有报道的、具有信号转导/调节功能的、在进化上保守的核苷酸外，在细胞中还存在大量的具有信号转导/调节功能的核苷酸化合物。例如，与eATP类似，细胞外CTP(eCTP)也可以触发钙调反应，但与eATP相比，它是通过迄今尚未确定的蛋白受体进行信号转导，并与eATP具有不同的动力学特征。而另一种核苷酸化合物，环ADP核糖(cADPR)，被证明是细胞内钙调反应的第二信使，其对维持生物钟非常重要。
综上所述，核苷酸代表了一类功能多样且进化上保守的小分子代谢物，它们在植物中的代谢过程和功能仍有待研究。
2 不仅仅是防御性化合物：次生代谢物的调节作用
一直以来，植物次生代谢物被认为是引诱剂或防御化合物，使植物既能耐受生物胁迫(如草食和病原菌攻击)，又能耐受非生物胁迫(如光和温度变化)。然而，近期的研究发现次生代谢物具有其他同样重要的功能。
类胡萝卜素衍生的小分子化合物脱辅基类胡萝卜素是一种典型的次生代谢物，它包括脱落酸和一类新发现的、名为独角金内酯的植物激素，它们被证明是植物生长调节剂的一种。β-环柠檬醛(β-CC)是β-胡萝卜素的挥发性化合物和氧化产物，参与叶绿体到细胞核的逆向信号转导过程。β-CC诱导单线态氧反应基因的表达，从而增强植物对光氧化胁迫的耐受性。值得注意的是，现阶段报道的β-CC的部分功能都是由其转化产物，一种水溶性分子β-环柠檬酸(β-CCA)介导。除了对植物抗逆性的贡献外，β-CC还参与根生长的调节。用β-CC处理幼苗(拟南芥、水稻和番茄)可以改变初生根和侧根分生组织的细胞分裂速率，导致幼苗在对照和盐胁迫条件下都表现出更长且高度分枝的根。
据报道，脱辅基类胡萝卜素并不是唯一一类具有信号转导/调节功能的次生代谢物。与广泛存在于生物体内的类胡萝卜素不同，硫代葡萄糖苷只由十字花科植物产生。硫代葡萄糖苷是真正的防御性代谢物，因为它们的降解产物被证明对一系列昆虫和微生物病原体有毒性。有趣的是，吲哚-3-甲醇，一种吲哚硫代葡萄糖苷的降解产物，被证明通过与生长素受体transport inhibitor response 1’ (TIR1)直接相互作用来调节植物的生长。吲哚-3-甲醇有两种功能：一是作为“驱虫剂”，二是作为信号分子，通过与生长素的直接竞争，微调植物生长和植物防御之间的平衡。与吲哚-3-甲醇类似，一种特殊的硫代葡萄糖苷化合物3-羟丙基硫代葡萄糖苷也被证明可以抑制拟南芥的根生长，但它是通过Target of Rapamcin’(TOR)激酶途径来传递生长素信号的。TOR是真核生物中一种普遍的生长调节因子。相比之下，硫代葡萄糖苷是一种仅限于特定植物科的代谢物。这种差异提出了关于3-羟丙基硫代葡萄糖苷/TOR相互作用的生物学问题，但也开启了许多其他次生代谢物参与调节中枢信号和调节通路的新大门(图1)。
3 从互作到功能
生物活性物质很少单独起作用，而是作为复合体的一部分，例如蛋白质、核酸和小分子代谢物。小分子代谢物通过与大分子伴侣(最常见的是蛋白质)的相互作用来发挥其大部分功能。因此，细胞范围内对代谢物-蛋白质复合物的鉴定被认为是了解代谢物功能的有效途径，这正如之前讨论的ATP所证明的那样。了解蛋白质互作对于全面理解具有已知生物效应的小分子代谢物的作用方式也是必要的，例如前面讨论的β-CC。然而，直到最近才有几项研究提出了在细胞范围内和几乎在活体条件下研究蛋白质-代谢物相互作用(PMI)的工具。
从已发表的细胞范围的PMI研究中，最有趣的结果之一是小分子代谢物-蛋白质相互作用体，这些结果揭示了小分子代谢物在单细胞和多细胞生物体中调节蛋白质活性的重要性。为了证明这一结论，研究人员对20种主要代谢物(包括氨基酸、辅因子和各种磷酸糖)的蛋白质结合体进行了蛋白组分析，其结果在大肠杆菌中形成了1678个相互作用网络，其中1400个是先前未被报道过的。有趣的是，通过对比蛋白质相互作用因子与公开的转录组数据，研究人员发现了代谢物与核心蛋白组的优先结合作用，该核心蛋白组由无处不在且不受环境干扰表达的蛋白质组成。这表明，转录调控和代谢物介导的调控在一定程度上是互相独立的，甚至是相互排斥的。
对于任何PMI研究，最关键的是能够证明其发现的复合物的生物学意义。最近的一项研究很好地证明了这一点，该研究使用现有的数据（主要是体外数据）来生成全基因组的酶抑制网络。由此研究人员得出结论，酶抑制的主要原因是中枢代谢物有限的结构多样性。虽然研究发现有许多相互作用是可行的，并对酶活性产生影响，但只有一部分相互作用在生物体内与酶活性具有相关性。例如，核苷二磷酸激酶(NDPKs)在亲和pull-down实验中被确定为3’，5’-cAMP的靶标。3’，5’-cAMP与NDPK底物共用同一结合位点，其结合会抑制NDPKs的酶活性。然而，由于环状核苷酸在生物体内处于很低的浓度，所以NDKP-cAMP的相互作用不太可能与生理功能有关。
与影响蛋白质结构或活性的小分子代谢物不同，一些化合物的稳定性取决于与其特定结合的蛋白质。例如，查尔酮异构酶(CHI)类蛋白1(CHIL1)是啤酒花(Humulus lupulus L.)类黄酮生物合成中的一种蛋白，它可以结合并进一步稳定去甲黄腐酚(DMX)和黄腐酚(XN)等查尔酮的开环结构。这两种化合物都以抗癌和抗炎而闻名，因此它们的稳定机制在药理学领域具有很高的研究价值。
讨论
现阶段仍有大量的小分子代谢物有待识别，并且许多已知的小分子代谢物还有待功能验证。小分子代谢物的识别和功能验证是一个前景广阔的研究领域，具有巨大的发展潜力。本文探讨了几种可以加以利用的实验策略，在细胞范围内鉴定蛋白质-代谢物复合物是一种值得深入开发的实验方法，但其结果需要详细的生物学实验进行验证。
评论