COP9信号体的CSN2亚基通过调节蛋白质的泛素化过程，支持了角毛藻（Phaeodactylum tricornutum）对高温环境的适应能力

《Algal Research》：CSN2 of COP9 signalosome underpins high temperature adaptation of the diatom Phaeodactylum tricornutum through regulating protein ubiquitination

　　海洋硅藻中COP9信号体复合物亚基CSN2通过调节泛素化水平影响高温和紫外线耐受性。基于Tara Oceans数据库分析，发现CSN2是硅藻中最保守的亚基。通过CRISPR/Cas9技术构建CSN2突变株，结果显示突变体在25℃高温下生长受阻，紫外线耐受性下降，且细胞形态异常。泛素组学与蛋白质组学分析表明，作为支架蛋白的CSN2调控热休克蛋白、核糖体蛋白和组蛋白的泛素化水平。这些发现揭示了CSN2在硅藻高温适应中的关键作用。

　　

Xin Li|Lu Zhou|Wenting Yang|Hong Wang|Xuehua Liu|Songcui Wu|Wenhui Gu|Lijun Wang|Xiujun Xie|Senjie Lin|Qiang Hu|Shan Gao|Guangce Wang

中国科学院海洋生物技术育种与可持续水产养殖重点实验室，中国青岛

摘要

全球变暖威胁着海洋硅藻的生产力和多样性，而海洋硅藻贡献了全球初级生产力的20%。然而，它们适应高温的分子机制尚不完全清楚。本研究发现，编码COP9信号体（CSN）亚基的基因在海洋浮游植物中广泛存在，尤其是硅藻中，其中CSN2是最保守的亚基，在海洋硅藻适应高温过程中起着重要作用。此外，我们发现模式硅藻Phaeodactylum tricornutum的CSN2突变体在高温（25°C）下生长减缓，对紫外线的耐受性降低。CSN2的缺失突变还导致了Phaeodactylum tricornutum细胞形态的改变。通过对Phaeodactylum tricornutum的CSN2突变体进行全面的泛素组学和蛋白质组学分析，发现CSN2作为支架，调控了包括热休克蛋白、核糖体蛋白和组蛋白在内的多种蛋白质的泛素化水平。这些结果表明，CSN2通过调节蛋白质的泛素化在Phaeodactylum tricornutum适应高温过程中发挥了关键作用。

引言

海洋硅藻贡献了全球初级生产力的大约20%，是海洋生态系统的基础，但对环境变化具有高度敏感性。然而，海洋硅藻适应气候变化的分子机制仍不甚明了。预计全球变暖将有利于耐热物种的发展，而使易受影响的物种处于危险之中，从而导致生态系统群落组成的变化。温度上升、极端热事件和海洋热浪预计会减少生物多样性（由于生物活力丧失）和生物量（由于耐热性有限），从而威胁食物网和生物地球化学循环。因此，识别海洋硅藻活力和耐热性的分子调控因子对于理解不同物种如何生存和应对温度升高至关重要。这些见解还将为培育耐热、具有经济价值的硅藻提供遗传目标，以实现可持续的食物和生物能源生产。 COP9信号体（CSN）是一种在高等真核生物（包括植物和动物）中高度保守的蛋白质复合体，通常由八个亚基组成（命名为CSN1至CSN8）。该复合体调控cullin-RING连接酶（CRL）E3泛素连接酶家族的活性，在控制基因表达、细胞增殖和细胞周期中起着关键作用。先前的研究表明，高等植物中CSN的丰度对环境压力敏感；然而，CSN响应热应激的具体机制仍不明确。 在陆地植物模式物种拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，组成型光形态发生1（COP1）这种E3泛素连接酶是形态发生和温度反应的关键调控因子。温度信号由光受体（光敏色素）感知，并传递给COP1，随后COP1与转录因子（如PIFs，即光敏色素相互作用因子）相互作用，以调节与热形态发生相关的基因表达。 已经提出了几种机制来解释COP9信号体（CSN）与COP1之间的功能联系，包括调控含有COP1的CRL4（Cullin–RING连接酶4）复合体的neddylation状态以及CSN介导的COP1核质分配。然而，直接支持CSN在光合生物中调节高温反应的功能和机制的证据仍然有限。此外，COP1-COP9信号系统在海洋浮游植物中尚未得到研究，有趣的是，根据基因组和蛋白质组数据分析的结果，模式硅藻Phaeodactylum tricornutum中不存在COP1。 在本研究中，基于Tara Oceans数据库的数据，我们发现编码COP9信号体八个亚基的基因在海洋硅藻中广泛存在，其中CSN2是最保守的亚基。利用CRISPR/Cas9基因编辑系统，在Phaeodactylum tricornutum中获得了CSN2杂合突变体（Δcsn2）以及两个纯合突变体（Δcsn2–1和Δcsn2–2），它们的CSN2基因发生了框内缺失。所有突变体在所有测试的温度条件（10°C、20°C和25°C）下生长均受到抑制。此外，CSN2的突变降低了Phaeodactylum tricornutum对紫外线的耐受性。综合泛素组学和蛋白质组学分析表明，CSN2作为支架，影响了CSN与CRL复合体之间的相互作用，并调控了热休克蛋白、核糖体蛋白和组蛋白的泛素化水平。这些结果表明，CSN2在硅藻适应高温环境中起着关键作用。

细胞培养条件

Phaeodactylum tricornutum菌株来自中国科学院水生生物学研究所。这些菌株在添加了F/2培养基的无菌人工海水中培养，培养温度为20°C，光照/黑暗周期为12小时/12小时，光照强度为80 μmol m^-2 s^-1。野生型（WT）和CSN2突变体细胞最初在20°C下培养。随后，将WT和不同突变体的接种物（起始细胞密度为4×10^5细胞/ml）置于10°C的温度处理下。

硅藻中的CSN亚基

基于基因组、转录组和蛋白质组数据集，我们鉴定了Phaeodactylum tricornutum中编码八个CSN亚基的基因。将这些基因的氨基酸序列与酵母、植物和动物的序列进行比较，以确定最保守的亚基。结果表明，Phaeodactylum tricornutum中的八个CSN亚基（CSN1至CSN8）与其他生物（如拟南芥和Chlamydomonas）的相似度低于50%。

Phaeodactylum tricornutum中的CSN及其在耐热性和耐紫外线性中的作用

在陆地植物中，CSN复合体作为光形态发生的负调控因子，并帮助COP1在黑暗条件下定位到细胞核中。这两种功能对多种生物过程（包括发育、代谢和对非生物胁迫的反应）至关重要。有趣的是，在Phaeodactylum tricornutum的组学数据（包括Bowler等人的基因组数据以及我们自己的转录组和蛋白质组分析）中未检测到COP1的转录本或蛋白质。

CRediT作者贡献声明

Xin Li：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源获取、项目管理、方法学设计、实验设计、数据分析、概念化。 Lu Zhou：可视化、验证、方法学设计、实验设计、数据分析、概念化。 Wenting Yang：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、资金筹集。 Hong Wang：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（42276146、42376093）、山东省重点研发计划重大科技创新项目（2022LZGC004）、山东省泰山学者研究基金（tspd20210316）、农业农村部与中国海洋渔业局联合支持的农业研究系统（CARS-50）、广东省自然科学基金（2023A1515012590）以及深圳市科技计划的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢挪威特隆赫姆挪威科技大学的Rahmi Lale博士赠送了含有pTA-Mob质粒的DH10B大肠杆菌菌株。