Characterization of γ-Glutamyl Peptidases and γ-Glutamyl Cyclotransferases for Glutathione Degradation inArabidopsis

Abstract

SummaryOrganic sulfur is stored as glutathione (GSH) in plants. In Arabidopsis, γ-glutamyl cyclotransferases (GGCT2;1, GGCT2;2, and GGCT2;3) degrade cytosolic GSH, but they do not fully explain the rapid GSH turnover. Here, we demonstrate that γ-glutamyl peptidases, GGP1 and GGP3, play a substantial role in degrading GSH in the cytosol.We conducted yeast complementation assay and activity assay of recombinant proteins to identify the novel GSH degradation enzymes. The expression patterns were investigated by RT-qPCR. GSH concentrations in the mutants were also analyzed.GGP1 complemented the yeast phenotype. Recombinant GGP1 and GGP3 showed reasonable Km values considering cytosolic GSH concentration, and their activity was comparable to that of GGCTs. The GGP1 transcript was highly abundant in mature organs such as rosette leaves. The expression of GGCT2;1 was conspicuously enhanced under sulfur deficiency. GSH concentration was higher in ggp1 knockout mutants regardless of nutritional conditions; the concentration was higher in ggct2;1 knockout mutants under sulfur-deficient conditions.We propose a model wherein cytosolic GSH is degraded fundamentally by GGP1. The degradation is accelerated by GGCT2;1 under sulfur deficiency. Given the energy cost throughout the reactions, GGPs could render a more efficient route for GSH degradation than GGCTs.

硫黄欠乏に対する植物の応答

“…る (83,84) ．この 5-オキソプロリンは，OXP1 という別の酵 素によって ATP 依存的に Glu へと再生される (82) ．また， もう一つの生成物である Cys-Gly も Cys と Gly に分解さ れ，最終的に GSH は 3 つの構成アミノ酸へと加水分解 される(図 4) ．もう一つの細胞質型 GSH 分解酵素であ る GGP にも 5 つのホモログが存在し，そのうち GGP1 と GGP3 は全身で恒常的に発現する (85,86) ．GGP は GGC T と 異なり，GSH の Glu 残基をそのまま Glu 分子として分離 するため，OXP1 による ATP 消費がない分エネルギー 効率に優れると考えられる(図 4) (85) ．GGP のユニーク な特徴は，GSL 合成経路における GSH 抱合体の分解に も働くことである (86,87) ．すなわち，GGP は S の一次代 謝と特化代謝の双方で機能する． −S 下に置かれた植物では， の発現が劇的 に上昇し，GSH 分解が促進される (88) ． の変異 株( )は，−S 下において根端における GSH 濃度 が野生型株よりも高く，主根長が増加し，側根の生長が 抑制されなくなるといった表現型を示す (88) ．GSH は根端 の分裂活性に不可欠であり，GSH 含量が野生型株の 5％ 未満である ( )変異株は，根端 分裂組織を欠く (89) ．このことから， における根の を含めた硫黄代謝関連遺伝子の発現を上昇さ せる (94,95) ． S 代謝は TOR(target of rapamycin)キナーゼによ る制御も受ける．TOR は代謝や環境の情報を統合し， 生長を制御するマスターレギュレーターである (96) ．Cys 前駆体のうち S が不足する場合には，糖の減少を通じて TOR 活性が低下し，翻訳の減少・分裂組織の活性低 下・オートファジーの増加などが引き起こされる (97) ， 一 方，C・N(OAS) が 不 足 す る 場 合 に は，GCN2 キ ナーゼによって同様に生長が制御される (97) ．加えて， TOR が Cys の用途を GSH 合成からタンパク質合成へシ フトさせること (98) ，TOR 活性が GSL の一種である 3-ヒ ドロキシプロピル GSL の投与によって阻害され，根の 伸長が抑制されること (99)…”