维持细胞内不同区室的氧化还原平衡对包括蛋白成熟、信号传导和折叠等在内的细胞过程至关重要，而氧化还原失衡通常会引起代谢抑制、ROS积累以及蛋白质错误折叠等进而影响细胞发育。为此，植物体已进化出以线粒体电子传递链 (mETC)和替代氧化酶 (AOX)途径为核心的氧化还原调控网络，以缓冲和调节胞内氧化还原平衡【1】。AOX1a是拟南芥氧化应激反应的关键基因，并且由于其表达对mETC 抑制有强烈反应，因此被作为模型用来研究线粒体逆行调节 (mitochondrial retrograde regulation, MRR)。值得一提的是，AOX1a 诱导的一个关键机制包括对内质网（ER）膜结合的转录因子 ANAC017 和 ANAC013的切割并将其释放和转移到细胞核内，这暗示了ER通过与线粒体相互作用而在氧化还原调节中发挥潜在功能【2】。研究表明，ER的关键功能之一是是加工蛋白质以进行分泌，该过程需要氧化 Cys 残基的蛋白折叠过程并形成特定二硫化物以稳定成熟蛋白的结构。然而，当氧化速率受限时会导致还原性ER胁迫并诱导未折叠蛋白质反应 (UPRER)【3】。目前关于ER中氧化还原平衡，尤其是还原性应激反应的调节机制仍知之甚少。
近日，德国Westflische Wilhelms-Universitt Münster的科研人员在The Plant Cell发表了一篇题为Reductive stress triggers ANAC017-mediated retrograde signaling to safeguard the endoplasmic reticulum by boosting mitochondrial respiratory capacity的研究论文，揭示了ER膜定位的ANAC017转录因子通过逆行信号调节线粒体呼吸能力从而介导ER还原应激。
该研究发现，还原剂二硫苏糖醇 (DTT) 处理会加剧aox1a突变体根系受损程度，表明aox1a在对硫醇基还原胁迫的耐受中发挥作用。同时，该研究分析了DTT对根系ER氧化还原平衡的影响，通过使用基于荧光蛋白的氧化还原传感器roGFP2测量谷胱甘肽（主要的硫醇代谢物和主要的DTT靶标）的氧化还原电位，发现ER是最具氧化性的细胞区室并且对DTT处理反应强烈，而胞质、过氧化物酶体和线粒体基质保持着高度还原的谷胱甘肽库。此外，DTT处理会强烈诱导UPRER (unfolded Protein Response)的表达，表明DTT处理影响了ER的氧化蛋白折叠。该研究还发现，DTT处理后ero（endoplasmic reticulum oxidoreductin）突变体根系生长严重受限，证实了ER氧化还原能力的主要来源为EROs并强调了DTT对ER还原应激的诱导作用。在此基础上，研究人员分析了AOX1a 和线粒体呼吸与 ER 应激的潜在联系。结果显示，在aox1a和ucp1株系中，DTT处理高度诱导了UPR标记物的转录，并且与ero突变株系表型相似。此外，在DTT处理下，ero aox1a双突变体的根生长抑制表型比单突变体更明显。上述研究综合说明ER对还原应激的适应依赖于线粒体呼吸。
进一步的机制解析发现，DTT处理导致胞质NAD (mETC的主要供体)减少，而AOX1a的缺失加剧了这种反应，暗示此时mETC 氧化 NADH 的能力的受限。因此，研究人员利用了仅在线粒体基质中表达的基因编码 pH 传感器 cpYFP和Rho123分别评估了质子梯度和膜电位变化，发现纯化的线粒体在DTT处理后可形成质子梯度和膜电位，表明线粒体呼吸过程可以氧化DTT并缓解还原应激。基于同样的方法，研究人员还发现内源性小硫醇分子（还原性谷胱甘肽、半胱氨酸和n -乙酰半胱氨酸）也可以将电子传递到线粒体电子传递链，表明硫醇基团可以成为mETC的电子供体。上述研究证实了线粒体通过硫醇解毒能力在ER还原应激中发挥调节功能。此外，之前研究表明，ER膜定位的ANAC017转录因子可以有效调节AOX1a的 表达【2】。在该研究中，研究人员也发现，DTT处理也能上调AOX1a的表达，但是部分anac017突变株在DTT处理下响应还原性应激的 AOX1a 转录诱导被部分抑制，并且表现出与aox1a突变株相似的根生长表型。该研究结果表明，ANAC017可以通过逆行信号介导AOX1a表达和线粒体呼吸，从而参与ER还原应激调节。
Hypothetical model of how retrograde signaling may mediate redox communication between endoplasmic reticulum and mitochondria to alleviate reductive stress
综上，该研究揭示了ER膜定位的ANAC转录因子通过调控线粒体呼吸强度从而缓解ER还原应激的逆行信号机制。该研究揭示了线粒体呼吸的灵活性以及逆行信号在细胞器间氧化还原串扰的还原性应激耐受中的功能。
【1】Braun, H.-P. (2020). The Oxidative Phosphorylation system of the mitochondria in plants. Mitochondrion 53: 66–75
【2】Ng, S. et al. (2013a). A membrane-bound NAC transcription factor, ANAC017, mediates mitochondrial retrograde signaling in Arabidopsis. Plant Cell 25: 3450–3471.
【3】Meyer, A.J., Riemer, J., and Rouhier, N. (2019). Oxidative protein folding: state-of-the-art and current avenues of research in plants. New Phytol. 221: 1230–1246
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac017/6515243
