2024年6月12日，山东大学生命科学学院李坤朋教授课题组在《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了题为“Membralin is required for maize development and defines a branch of the endoplasmic reticulum–associated degradation pathway in plants”的研究论文，揭示了内质网膜定位蛋白Membralin，与含有RING结构域的E3-泛素连接酶RNF185和RNF5等互作，形成了一个独立于经典的HMG-CoA-Reductase Degradation 1 (HRD1) 和Degradation of alpha 10 (Doa10) E3-泛素连接酶复合体的ERAD分支途径，对玉米植株的生长发育至关重要。

内质网相关的蛋白降解（Endoplasmic reticulum-associated degradation, ERAD）在植物生长发育和环境适应中发挥重要作用，主要通过清除错误折叠或未折叠蛋白，以及调控某些特定蛋白的数量，以维持蛋白稳态。目前，至少2个经典的E3-泛素连接酶HRD1和Doa10已被广泛研究。HRD1复合体主要负责内质网腔蛋白以及错误折叠区伸向内质网腔或位于跨膜域的膜蛋白的降解，而Doa10主要负责错误折叠区伸向细胞质的膜蛋白的降解。它们在酵母、哺乳动物和植物中发挥类似的功能，说明经典的ERAD途径在真核生物中是高度保守的。

Membralin是一种保守的内质网蛋白，优先在中枢神经系统中积累，其功能障碍与阿尔茨海默症和肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病密切相关。Membralin功能缺陷会降低ERAD底物的降解能力，促进运动神经元的坏死，导致小鼠出生后不久死亡。哺乳动物中Membralin与E3-泛素连接酶RNF185等组成了一个独立于经典的ERAD复合物的分支，参与内质网膜蛋白的质量控制。然而，Membralin介导的ERAD分支在植物中是否存在且发挥作用尚不清楚。

本研究，利用EMS 诱变获得的玉米窄叶和矮缩突变体nld1（narrow leaf and dwarfism 1）为材料，构建定位群体，图位克隆了NLD1，等位测试和转基因互补明确了NLD1编码玉米Membralin蛋白。NLD1定位于内质网膜，特异性与哺乳动物E3-泛素连接酶RNF185的玉米同源物ZmRNF185和ZmRNF5互作。NLD1突变导致细胞数目减少，叶片和根系发育缺陷。值得注意的是，在nld1中过表达拟南芥和小鼠的Membralin基因，突变体的缺陷表型在很大程度上得到了恢复，说明Membralin在动植物中的功能高度保守。

突变体nld1中未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR）标志性响应因子bZIP60剪接变体的累积、UPR标志性Marker基因的激活、DNA片段化的terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick-end labeling (TUNEL)检测、细胞活力测定、RNA-seq分析和逆境胁迫处理等实验表明，Membralin功能缺陷诱发了玉米内质网胁迫和细胞死亡，从而影响了器官的发生。

综上，Membralin作为ERAD复合体的关键组分，通过靶向其底物，如HMGR和错误折叠蛋白，在维持内质网稳态中发挥重要作用。Membralin的缺乏或功能受损会导致持续的内质网胁迫和UPR反应，从而诱发细胞的程序性死亡（programmed cell death, PCD）。Membralin在ERAD途径的一个重要分支中发挥作用，而这一分支途径以前在植物中尚未识别。

玉米Membralin蛋白在生长发育中作用模型

山东大学为第一作者和唯一通讯作者单位。山东大学生命学院李坤朋教授为论文通讯作者。山东大学生命学院在读博士生刘柏妤、西南大学生命学院许长征教授、齐鲁工业大学何秋霞研究员和已毕业硕士生张珂为论文共同第一作者。此外，山东大学生命学院张伟教授、张可炜教授、陈冬花高级实验师、已毕业硕士生亓守美和靳哲，山东省农科院玉米所程文博士和丁照华研究员，山东农业大学生命学院赵翔宇教授也参与和指导了本工作。本研究得到了国家自然科学基金和山东省重点研发计划等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2406090121