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王 隆 祺
Kevin Long-Chi Wang
助研究員
Ph.D., Molecular Genetics, Albert Einstein College of Medicine, New York, USA (1998)
電話：(02)2787-1181 (Office)
(02)2787-1069 (Lab)
E-mail: lwang@gate.sinica.edu.tw |
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研究主題
I. 探討乙烯生合成與訊息傳導之分子調控機制
II. 以化學遺傳分析方式研究植物賀爾蒙的生理功能
本實驗室的長程研究目標在瞭解植物生長與發育過程中，植物賀爾蒙的生理功能及其調控機制， 尤其對於賀爾蒙如何影響植物去適應環境的變化特別感興趣。目前的研究工作主要著重於研究在阿拉伯芥中，乙烯的生合成過程以及訊息傳導的分子調控機制。乙烯的化學結構雖然很簡單，但是在植物的生活史中，從種子萌發，開花受粉，果實成熟，到老化落葉都扮演重要的角色。除此之外，乙烯也會跟植物體內其他因逆境所引發的賀爾蒙 (例如水揚酸，茉莉酸，及離層酸) 產生交互作用，讓植物能夠產生適當的反應，藉此適應環境的變化而求取生存。過去近20年間，以模式植物阿拉伯芥作為研究材料，利用遺傳學及生物化學的研究方法，已經大致瞭解乙烯的訊息傳導會經由細胞膜上的接受器，將訊息導引至細胞核，進而引發下游的訊息反應。我們希望能夠更深入探討乙烯訊息傳導的分子機制以及開發應用於農業生技產業。
I. 探討乙烯生合成與訊息傳導之分子調控機制
乙烯生合成的過程中，許多分子層面的調控機制仍然不是很清楚。本人之前的研究工作指出，當阿拉伯芥中的 ETO1 基因發生突變而失去功能時，會造成乙烯的大量產生。由此推測，ETO1 可能在阿拉伯芥的乙烯生合成過程中扮演一個負向調節的因子。除了eto1突變株之外，另外 2 個突變株，eto2-1 及 eto3-1，亦有大量產生乙烯的現象。eto2-1 及 eto3-1 的突變位在 ACS5 與 ACS9 這 2 個基因上，皆隸屬於乙烯前驅物 (ACC) 之合成酵素家族基因的成員。當 ACS5 與 ACS9 產生上述突變後皆無法與 ETO1 結合，因此造成乙烯的大量產生。在阿拉伯芥中，ACC 合成酵素家族一共有 9 個基因，而 ETO1 會與第二類的ACS基因成員 (包括ACS4, ACS5, ACS8, 與ACS9) 產生交互作用。由於 ACS 酵素控制乙烯生合成過程的關鍵步驟，因此我們預期與該酵素產生交互作用的 ETO1 在調控乙烯生合成的過程中扮演重要的調控角色。
ETO1 隸屬於一群獨特的植物蛋白質家族，帶有 BTB (Broad-Complex, Tramtrack, and Bric a brac) 及 TPR (Tetratricopeptide Repeat) 功能性區域。從表現序列標籤 (EST) 發現 ETO1-Like (EOL) 基因存在於不同的植物物種，預期在植物界中有保守之調控功能。ETO1 可直接與 ACS5 結合而抑制該酵素活性，而且經由泛素 (Ubiqutin) 調節途徑促使 ACS5 蛋白質降解。經由抑制酵素活性及促使蛋白質降解這兩種機制所建立的調控模式如圖一 (B) 所示 。進一步研究顯示，在泛素黏合酵素 (E3 ligase) 複合體中，ETO1 是一個特殊的接引器蛋白質 (Adaptor protein)。在以 Cullin 3 (CUL3) 為支架的泛素黏合酵素複合體，ETO1 上的 BTB 區域會與 CUL3 結合，而 TPR 區域則是與 ACS5 結合 (及其它第二型的ACS酵素) 而促使 ACS5 蛋白質降解。ㄧ個包含 ETO1-ACS5 之假設性泛素黏合酵素 (SCFETO1) 的複合體結構模型如圖ㄧ (A) 所示。我們實驗室根據目前所建立的調控模式，研究 ETO1 及其家族成員在阿拉伯芥植物中如何對應於內在的生長因子及外界環境的刺激而進行調節乙烯的生理功能。
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| 圖ㄧ：(A) ETO1-ACS5 泛素黏合酵素 (SCFETO1) 的複合體結構模型。(B) ETO1 與 ACS5 結合並且抑制酵素活性 (不活化機制，低乙烯量)。ACS5 亦可經由 ETO1 與 SCFETO1 泛素黏合酵素結合而被蛋白解體降解 (蛋白質降解機制，無乙烯含量)。 |
II. 以化學遺傳分析方式研究植物賀爾蒙的生理功能
為更加瞭解乙烯在植物體內與其他賀爾蒙之間的交互作用，我們使用了新穎的化學遺傳學 (Chemical Genetics) 分析方式進行研究工作，希望能找到一些參與交互作用，但是未曾被發現的基因。所謂的化學遺傳學，類似藥廠所進行的新藥篩選的工作；由於可供篩選的小分子化合物，具有高度歧異的立體結構，因此利用特定結構之化合物只會影響特定基因產物的特性，我們預期可以找到一些影響植物生理反應而具有專一性的小分子化合物。傳統基因突變方式進行遺傳研究的一些缺點，例如單一基因的突變無法將整個基因家族成員的功能都加以破壞，造成因此很難拿到具有特定性狀的突變株；此外，如果是將重要基因破壞掉，也有可能造成植物死亡，因而拿不到同質突變株。由於小分子化合物具有穿透細胞的能力，它可以同時影響一個或是數個功能相近的基因產物，加上隨時都可以將其移除的可逆性，使用小分子化合物進行遺傳研究便能夠避免掉上述以傳統遺傳學篩選突變株的缺點。
我們利用現成的小分子化合物庫進行篩選，初步的篩選中已經從一萬種小分子化合物中挑選出一些會影響乙烯生理反應的化合物。利用乙烯過度表達的突變株 eto1-4 來進行小分子化合物的篩選，我們選出一些化合物會影響三向反應 (triple response) 的性狀，使得原本短根，短下胚軸及上胚軸彎曲的性狀產生明顯外觀的改變 (如圖二A)。此外我們也發現經過某些化合物處理過的幼苗會有花青素的累積 (如圖二B, C, 及E) 或是變成子葉白化的幼苗 (如圖二D)。除了上述的特殊外觀，某些化合物處理過的幼苗，在光照環境下生長時，會產生延遲發芽及發育的現象 (如圖二H)。由於不同的小分子化合物處理後的幼苗會產生上述多種不同的生理現象，因此利用化學遺傳學的方式作為研究的策略，似乎可以作為一項研究植物體內賀爾蒙交互作用新興的利器。目前我們正加緊努力，希望能找出上述化合物的作用位置及受影響之基因產物，藉此瞭解更多與植物賀爾蒙相關的生理現象與反應。
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| 圖二：(A) 利用 10000 個小分子化合物篩選抑制 eto1-4 白化幼苗三相反應的代表性結果。eto1-4 幼苗在沒有小分子化合物 (1，以 0.5% DMSO 代替) 和在 10 µM STS (★, silver thiosulfate) 處理下，做為實驗的對照組， STS 是乙烯接受器的拮抗劑 。第19號化合物在抑制 eto1-4 三相反應有顯著效果，與 STS 之效果類似；另外也有些化合物影響根的發育性狀 (5, 8, 和14號)，或單獨影響三相反應中上胚軸彎曲的性狀 (20號)。還有其它化合物影響到非相關於乙烯反應的性狀；例如少量 (B) 或多量 (C) 累積在子葉的花青素，顯著白化的子葉 (D)，以及色素累積在根與莖之間的接合處 (E)。還有延遲種子發芽的化合物 (H)，相較於未加 (G) 或是加入 1 µM 離層酸 (F) 做為發芽實驗的對照組。 |
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- Chilley, P.M., Casson, S.A., Tarkowski, P., Wang, K. L.-C., Hawkins, N., Hussey, P.J., Beale, M., Ecker, J.R., Sandberg, G.K., and Lindsey, K. (2006) The POLARIS peptide of Arabidopsis regulates auxin transport and root growth via effects on ethylene signaling. Plant Cell, 18(11): 3058-72.
- Yoshida, H., Wang, K. L.-C., Chang, C.-M., Mori, K., Uchida, E., and Ecker, J.R. (2006) The ACC synthase TOE sequence is required for interaction with ETO1 family proteins and destabilization of target proteins. Plant Molecular Biology, 62(3): 427-437.
- Yoshida, H., Nagata, M., Saito, K., Wang, K. L.-C., and Ecker, J.R. (2005) Arabidopsis ETO1 specifically interacts with and negatively regulates type 2 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthases. BMC Plant Biology, 5:14.
- Wang, K. L.-C., Yoshida, H., Lurin, C., and Ecker, J.R. (2004) Regulation of ethylene gas biosynthesis by the Arabidopsis ETO1 protein. Nature, 428 (6986): 945-950.
- Wang, K. L.-C., Li, H., and Ecker, J.R. (2002) Ethylene biosynthesis and signaling networks. Plant Cell, 14:S131-151.
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Dr. Jen-Hung HSU, 許仁弘 博士
d86623602@ntu.edu.tw
Postdoctoral fellow
乙烯訊息傳導相關蛋白質之表現、純化與酵素動力學分析。 |
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Guan-Hong (Ken) CHEN, 陳冠宏
ken1214@gate.sinica.edu.tw
Ph.D. student, National Yang-Ming University
我的研究主題是分析一個阿拉伯芥葉片老化相關基因 (AtA15) 之功能以及此基因與氧化逆境的調控關係。 |
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Li-Chung LIN, 林立中
sherwood@gate.sinica.edu.tw
Ph.D. student, National Defense University
我的研究工作是利用化學遺傳學的方法研究乙烯在阿拉伯芥的生合成以及訊息傳導過程的調控。 |
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Lian-Chin WANG, 王亮晴
dcmotoya@yahoo.com.tw
Ph.D. student, National Central University
Co-advisor: Dr. Shaw-Jye WU, 吳少傑博士
我的研究主題分析 ETO1 及其家族成員 (EOL1 與 EOL2) 的生理功能及這些因子在調控乙烯生合成 基因的作用機制。 |
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Jayakumar JAGANATHAN, 賈亞.庫瑪
jkssjay@gate.sinica.edu.tw
Ph.D. student, TIGP-MBAS program, Academia Sinica
我來自印度，目前是中研院國際研究生院的博士班學生。我的研究工作是利用化學遺傳學探討阿拉伯芥根部的發育過程。 |
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Pei-Shan CHIEN, 簡佩珊
pschien@gate.sinica.edu.tw
Ph.D student, TIGP-MBAS program, Academia Sinica
我的研究主題是利用蛋白質體學，鑑定參與蛋白質解體調控植物生長激素訊息傳導之調控因子與機制。 |
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Chia-Ping (Rita) LIU, 劉佳苹
likepigno@yahoo.com.tw
Master student, National Central University
Co-advisor: Dr. Shaw-Jye WU, 吳少傑博士
我的研究主題是利用基因活化標籤技術，篩選乙烯生合成之抑制基因突變株，進而探討乙烯生合成之調控機制。 |
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Jung-Yun CHUANG, 莊鎔昀
littlebu823@hotmail.com
Master student, National Central University
Co-advisor: Dr. Shaw-Jye WU, 吳少傑博士
Just starting!! |
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Ling-Ling WU, 吳玲玲
diatom00@gate.sinica.edu.tw
Research assistant
我參與的計劃是利用酒精誘導的基因表現系統，在轉殖植物進行乙烯反應選擇性之調控，研究的目標是為促進作物收成後的品質。 |
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Jui-Jung (Rae) CHUNG, 鍾睿容
juijung@gate.sinica.edu.tw
Research assistant
我目前的研究工作是利用酵母菌與阿拉伯芥等模式生物，探討ADP ribosylation在粒線體與細胞核，對於不同逆境的反應扮演之角色。 |
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Yi-Jeng (Milk) Tsai, 蔡宜甄
milk710111@yahoo.com.tw
Research assistant
我的研究內容是利用分子生物技術來了解阿拉伯芥及酵母菌中AURORA Kinase 之生理功能及調控機制。 |
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Siao-Ting Yan, 殷筱婷
yst1226@yahoo.com.tw
行政助理 |
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Yu-Wen LU, 呂玉雯
kscherd@yahoo.com.tw
Summer student, National Yang-Ming University |
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