近日，山东大学生命科学学院董家强课题组在The Plant Cell发表了题为“Phosphoglycerate dehydrogenase is required for kernel development and defines a predominant serine synthesis pathway in maize”的研究论文，揭示玉米等C₄植物丝氨酸生物合成，以及丝氨酸代谢调控蛋白质翻译的分子机制，为培育高蛋白玉米奠定理论基础。

在植物生长发育过程中，丝氨酸既可作为蛋白质合成的底物，也可作为信号分子发挥功能。前人基于拟南芥等C₃植物的研究表明，丝氨酸的合成主要依赖于光呼吸途径。但玉米作为典型的C₄植物，其光呼吸速率显著低于C₃植物，暗示玉米的丝氨酸合成机制可能不同于C₃植物。目前，关于C₄植物（如玉米）中丝氨酸的合成途径，以及丝氨酸代谢调控生长发育的分子机制，尚未完全解析。

该研究克隆了玉米经典突变体基因 Dek20，该基因编码磷酸甘油酸脱氢酶1（Phosphoglycerate dehydrogenase1, PGDH1）。该酶为细菌和哺乳动物丝氨酸生物合成的磷酸化途径（Phosphorylated pathway of serine biosynthesis, PPSB）的限速酶，催化该途径的第一步反应。在dek20突变体中，Ser282残基突变为Leu，破坏了Ser282与His284之间的相互作用，释放的His284与辅因子NAD⁺/NADH相互作用，从而抑制了NAD⁺/NADH的释放，进而抑制了DEK20蛋白的催化活性，导致丝氨酸合成受到阻碍，最终使得dek20突变体籽粒中丝氨酸含量大幅下降。丝氨酸的缺乏引发了一系列下游反应。代谢组学和转录组学分析显示，dek20籽粒中多种氨基酸及初级代谢物含量发生改变，氨基酸代谢、储藏物质合成及细胞分裂等通路显著富集。此外，dek20突变体中丝氨酸缺乏引发tRNA^Ser-TGA和tRNA^Ser-TCG降解，导致核糖体停滞在丝氨酸密码子处，翻译延伸受阻。核糖体翻译的停滞激活了GCN2激酶，引起eIF2α的磷酸化，抑制翻译起始。丝氨酸缺乏也会抑制TOR激酶的活性，降低S6K1的磷酸化水平，进一步抑制翻译起始。与上述一致，多聚核糖体分析（Polysome Profiling）与核糖体印记测序（Ribosome profiling sequencing）均显示，dek20籽粒中蛋白质翻译效率明显下降，尤其影响了储存物质合成和细胞周期进程相关的蛋白质翻译过程。

该研究系统阐明了DEK20/PGDH1蛋白在玉米丝氨酸合成通路中的关键作用，填补了C₄植物丝氨酸生物合成机制研究的空白。区别于经典的空载tRNA激活GCN2激酶，从而磷酸化eIF2α的机制，本研究揭示了丝氨酸缺乏降低了tRNA^Ser稳定性，从而导致翻译延伸过程中核糖体阻滞在丝氨酸密码子处，进而激活GCN2激酶，最终抑制蛋白质翻译起始的机制。此外，PGDH1酶活性的调控是癌症生物学研究的热点，该研究发现DEK20/PGDH1蛋白的Ser282残基对其酶活性至关重要，为抗癌药物的筛选提供了一个有效的靶点。

山东大学生命科学学院2021级博士生张莹、中国科学院上海免疫与感染研究所2021级博士生李若璇和华中农业大学生命科学技术学院2023级硕士生郑道灿为共同第一作者；山东大学生命科学学院董家强教授为论文通讯作者；华中农业大学周志鹏教授、中国科学院上海免疫与感染研究所王程远研究员、青岛农业大学李玉斌教授和山东大学谭保才教授参与并做出了极其重要的贡献；中国农业科学院生物技术研究所张春义研究员、齐鲁师范学院路小铎教授、中国科学技术大学张志勇教授和北京市农林科学院生物技术研究所吴忠义研究员提供了非常重要的实验材料；该研究得到了国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://academic.oup.com/plcell/article/37/6/koaf126/8140917?login=true#523138745