Proteomic analysis provides insights into the molecular bases of hydrogen gas-induced cadmium resistance in Medicago sativa. | プロテオーム解析による新しい知見 水素ガスによるムラサキウマゴヤシのカドミウム耐性獲得の分子メカニズム
J Proteomics. 2016 Oct 27. pii: S1874-3919(16)30451-1. doi: 10.1016/j.jprot.2016.10.013. [Epub ahead of print]
Proteomic analysis provides insights into the molecular bases of hydrogen gas-induced cadmium resistance in Medicago sativa.
College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University
Abstract
Recently, molecular hydrogen (H2) has emerged as a bio-regulator both in animals and plants. Normally, functions of endogenous generated H2 could be mimicked by exogenously applied hydrogen-rich water (HRW) or hydrogen-rich saline (particularly in animals). Although alfalfa seedlings showed more cadmium (Cd) resistance after the administration with HRW, corresponding molecular mechanism is still elusive. To address this gap, iTRAQ-based quantitative proteomics was used. The results showed that a total of 2377 proteins were identified with <1% FDR, and 1254 protein abundance perturbations were confidently assessed. Total of 248 significant differential proteins were identified in Cd- and/or HRW-treated samples. Furthermore, 92 proteins from the 248 proteins were selected for further bioinformatics analysis. Interestingly, results indicated that they were classified into seven categories: defense and response to stress, sulfur compound metabolic process, amino acid and protein metabolic process, carbohydrate and energy metabolic process, secondary metabolic process, oxidation-reduction process, and metal ion homeostasis. In addition, the protein expression patterns were consistent with the results of decreased lipid peroxidation, increased non-protein thiols abundance, as well as iron and zinc content. These suggest that HRW alleviates Cd toxicity mainly by decreasing oxidative damage, enhancing sulfur compound metabolic process, and maintaining nutrient element homeostasis.
BIOLOGICAL SIGNIFICANCE:
Contamination of soils by Cd has become a potential concern to crops. Medicago sativa is a widely used forage around the world. Recently, hydrogen gas (H2) was suggested as a candidate of signal molecule, and found to effectively attenuate Cd-induced damage in alfalfa seedlings. However, the underlying molecular mechanism still needs to be further elucidated. In the present work, an iTRAQ-based quantitative proteomics was firstly carried out, and the results revealed the main molecular targets and metabolic processes associated with Cd resistance conferred by H2. This study may expand our understanding of hydrogen gas-medicated heavy metal tolerance in plants.
J Proteomics. 2016 Oct 27. pii: S1874-3919(16)30451-1. doi: 10.1016/j.jprot.2016.10.013. [Epub ahead of print]
プロテオーム解析による新しい知見
水素ガスによるムラサキウマゴヤシのカドミウム耐性獲得の分子メカニズム
南京農業大学 生命科学
＜要旨＞
近年、分子状水素（H2）が動植物の生理機能調節を担っていることが明らかになってきています。そして通常、体内で生成される水素を代用するのに、体外から摂取する高濃度水素水（HRW）や高濃度水素生理食塩水（特に動物に対して）が用いられます。
また、HRW投与後にアルファルファの発芽がカドミウム耐性を示す現象をうまく説明できるメカニズムがあいまいなままです。そこで今回、この問題を解決するためにiTRAQ法による定量プロテオミクス解析を行うことにしました。
その結果、合計2,377種のタンパク質（1%FDR未満）が同定され、そのうちの1,254種のタンパク質について環境変化により量が変動することが確認されました。さらにカドミウムまたはHRWの単体負荷、あるいはカドミウムとHRWの同時負荷で有意に挙動が異なるタンパク質が248種ありました。そこで248種類中の92のタンパク質を選定し、より詳細なバイオインフォマティクス分析を行いました。
その結果、興味深いことに以下の7つのカテゴリに分けられました。
ストレス防御＆応答、含硫化合物代謝、アミノ酸・タンパク質代謝、炭水化物＆エネルギー代謝、酸化還元、金属イオン平衡
さらに、タンパク質の発現パターンは脂質過酸化の減少、非タンパク質性チオール量、鉄と銅の含有量の増加と相関関係にありました。
以上の結果から、HRWが酸化ダメージを減少させるとともに、含硫化合物の代謝を促進し、さらには栄養素のホメオスタシスを維持することでカドミウムの毒性を抑えていることが示唆されました。
生化学的有意性
土壌のカドミウムのコンタミネーションは農業における関心事になります。ムラサキウマゴヤシは世界中で試料として使用されています。近年、水素ガスはシグナル分子である可能性が示唆されており、アルファルファの発芽時のカドミウムによるダメージを抑える効果があることが分かっています。しかしながら分子メカニズムのさらなる解明が現在必要になっています。
今回の研究では、iTRAQ法による定量プロテオミクスを初めて行いました。その結果、主な標的分子がわかり、水素によるカドミウム耐性獲得に関連する代謝についてもわかりました。
本研究は植物における水素ガスによる重金属耐性獲得のさらなる理解を広げることに役立つと考えられます。
＜一言＞
久しぶりの植物ネタですね。以前にも重金属汚染に対して植物が強くなるという研究がありましたが、今回は水素ありなしで挙動が変わるタンパク質を解析して、それがどんな働きを持っているのかを調べることで、水素のメカニズムに迫った（？）ものです。
酸化ストレスを下げるのは前からいろんな研究で知られていましたが、今回、それに加えて解毒作用を持つ含硫化合物にも影響を与えるのでは？ということが示唆されました。この研究はもちろん植物だけの話ではありますが、動物でも解毒作用に関わる所に何か影響は与える可能性があるのでしょうか？気になる所です。
