学术活动
研究组
 
           

熊延
研究员,博士生导师
中组部“青年千人计划”入选者

电话:(86) 21-57078219
Email: yanxiong@sibs.ac.cn

研究方向
TOR激活植物分生组织生长、TOR抑制植物先天性免疫反应、植物生长抗逆的解偶连
研究工作
在基础生物学研究领域,一个最重要的和需要解决的问题是生物体如何协调和传递各种大量的内源营养信号和外界生物胁迫以及非生物胁迫信号,从而精确控制生物体自身的生长和发育。对一问题进行分子生物学和细胞生物学的系统阐述和研究会对将来的医药研究以及农业的发展都带来积极的促进效果。我的研究组主要研究方向是利用拟南芥作为植物模型,通过分子遗传学,系统生物学,基因组学,蛋白组学和代谢组学等手段,系统研究各种内源营养信号和外源胁迫信号对植物生长发育的影响和调控,从分子水平和基因层面揭示其内在规律,解析其代谢调控和信号转导网络。

在哈佛医学院和马萨诸塞州总医院工作和学习期间,我深入研究了TOR(target of rapamycin)蛋白激酶在植物生长和发育当中的作用。TOR蛋白激酶高度保守,存在于所有真核生物中。因为其可以整合各种营养,能量和胁迫信号来调控细胞的生长和分裂,TOR蛋白激酶被认为是一个最重要的生长和发育的宏观调控者并成为近年来最大的一个研究热点。在动物和人类中,TOR激酶主要被认为是通过蛋白翻译调控来对细胞的生长,发育以及对疾病,例如癌症,糖尿病,肥胖症,衰老等进行精密的调节和控制。在植物中,由于tor突变体导致早期胚胎死亡,以及普遍认为的植物对药物rapamycin的不敏感性,TOR激酶在植物中的遗传学,分子学和功能学研究基本上还处于空白阶段。为了克服这些研究难点,我首先建立了一整套全新和有效的系统来研究植物的TOR激酶,包括TOR激酶蛋白活性检测系统,可诱导的tor突变体系统和TOR激酶化合物抑制剂系统。通过这些新的技术和方法,我揭示了两个重大的发现。(1)推翻了传统普遍认为的植物对药物rapamycin耐受性的理论,证明了rapamycin仍然可以有效抑制拟南芥中的TOR激酶活性。我进一步发现过量表达FKBP12蛋白可以极大增强植物对rapamycin的敏感度,揭示了动物和植物中不同的FKBP12蛋白表达水平可能是造成动物和植物对药物rapamycin的敏感度不同的主要原因。这个发现也为将来对改造和提高药物rapamycin在人类疾病治疗的效果提供了可能(Xiong et al., JBC, 2012)。(2)揭示了TOR蛋白激酶能够接受和传导葡萄糖的代谢信号来促进植物的生长。尽管TOR激酶被认为是主要作用于蛋白翻译的调节,通过基因组学的研究,我们发现一个全新的TOR激酶功能:通过正向调控转录因子E2Fa来控制基因组表达变化并激活根尖分生组织的细胞分裂活性,激活细胞分裂循环从而促进植物的快速生长(Xiong et al, Nature,2013)。这些科研成果证明了植物的生长,发育和抗逆在很大程度上是通过TOR蛋白激酶偶连在一起的。此激酶在各种真核生物中的作用十分保守。因此,作为一项上游基理研究成果不仅在基础研究中有很重要的作用,而且对各种农作物,特别是水稻、大豆、玉米等我国重要的高等农业作物,提供了转基因性状改良的有效靶点,因此有着极为广泛的发展和应用前景。

我的研究组计划在模式植物拟南芥中继续深入研究TOR蛋白激酶调控细胞分裂,抗逆,抗病中的分子机理,寻找新的TOR信号通路成员,并把这些研究成果转化和拓展到我国重要的农作物研究中,为我国的农业建设作出贡献。

1. 进一步深入研究葡萄糖-TOR蛋白激酶信号传导通路调控细胞分裂和分生组织激活的分子机理
植物的分生组织包含干细胞。植物的生长与发育基本是胚体后进行并与分生组织的活性紧密相连。我们已经揭示了一个全新的葡萄糖-TOR蛋白激酶-E2Fa转录因子的信号通路来调控S-phase基因表达,从而控制细胞分裂和根尖分生组织激活的分子机制。我们的研究目标是进一步了解和阐述这一机制。
2. 研究TOR蛋白的亚细胞定位与其基因表达调控功能的内在联系
TOR激酶同时存在于细胞质和细胞核中,但是这些不同亚细胞定位TOR激酶的分子生物学功能还有待研究。我们计划利用核聚集信号肽(nuclear localization signal)和核排出信号肽(nuclear exclusion signal)只在细胞质或细胞核中表达TOR蛋白,并构建相对应的拟南芥转基因植物来细化和区分细胞质及细胞核定位的TOR生物学功能并进一步了解TOR蛋白是如何把营养、能量、激素、免疫和抗逆等多种信号通路整合在一起的。

3. 筛选,鉴定和研究新的TOR信号传导通路成员
作为一个蛋白激酶,TOR蛋白的生物学功能的研究依赖于对新的TOR激酶底物的鉴定和研究,例如,对E2Fa这个TOR下游直接底物的鉴定是我们发现TOR在转录水平调控细胞分裂这个全新功能的基础和前提。到目前为止,仅有数目有限的TOR信号传导通路成员已被发现。因此,我们拟通过生物信息学,蛋白组芯片技术,磷酸化蛋白组学,正向遗传学筛选鉴定等方法来筛选,鉴定新的TOR信号传导通路成员。对这些新的TOR信号传导通路成员的研究,无疑将会帮助我们进一步了解和掌握TOR这个最重要的生长宏观调控者整合各种内源的营养信号和外源的胁迫信号来调控植物的生长,发育以及存活的分子基础,并提供一个对TOR激酶全新的研究和认知窗口。

4. 在重要的农作物中研究TOR信号传导通路
在之前对农作物的研究中,人们发现伴随着植物生长能力的提高,植物抗逆和抗病的能力往往却会下降,反之亦然。我们的科研成果证明了植物的生长,抗病和抗逆在很大程度上是通过TOR蛋白激酶偶联在一起的。这一发现提供了一种可以解除植物生长和抗逆偶联的方法,使同时提高植物产量和增强抗逆成为可能。编码TOR,以及下游的靶蛋白,例如E2Fa的基因同样也存在于我国重要的农作物水稻,大豆和玉米中。我们计划一方面向农作物中转化在拟南芥中的研究成果。另一方面,利用在拟南芥中积累的研究经验,以水稻作为农作物的模式植物,开展研究TOR信号传导通路在这些农作物中的生物学功能及其调控机理。