南方科技大学Science｜蛋白相分离介导细胞质中渗透感知的新途径

学术 2024-11-05 14:24 北京

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水分子因细胞膜两侧不平衡的渗透压而自发移动的现象称为渗透作用。固着生活的陆地植物经常因干旱洪涝、极端温度及盐碱化而暴露于土壤环境的渗透胁迫中。

渗透胁迫严重影响植物生长发育，对农业生产构成巨大威胁。过往研究表明植物能够通过多种机制协同作用来抵御渗透胁迫的危害，但植物细胞如何感知渗透胁迫尚未获得全面解析。

一般认为，位于动植物细胞膜上的机械力敏感型离子通道能够通过膜张力的变化感知渗透胁迫，并通过介导胞外钙离子内流引发后续的胁迫响应。除此之外，细胞能否通过其它机制实现渗透胁迫的感知和适应呢？

在上周发表于Science杂志的一篇文章中，来自南方科技大学的研究人员发现了一条由植物细胞质中相分离蛋白DCP5介导的渗透胁迫感知与适应的新途径。

在等渗环境中，DCP5均匀分散在细胞质中。当细胞暴露于高渗环境后，DCP5迅速且可逆地形成凝聚体。DCP5的聚集状态与细胞体积变化高度相关，伴随着细胞失水收缩而凝聚，又随着细胞复水膨胀而分散。

研究表明，DCP5的凝聚是由于蛋白质的液液相分离所导致的。DCP5在体外大分子拥挤环境和体内高渗胁迫引起拥挤环境中均能发生相分离形成凝聚体，说明DCP5能够通过分子拥挤敏感的相分离行为感知高渗胁迫。

蛋白质相分离与固有无序区（intrinsically disordered region, IDR）高度相关。DCP5蛋白的多数区域也属于IDR。当其中的一段IDR被删除后，DCP5的相分离能力丧失。

进一步研究发现，这一段IDR能够通过构象变化响应分子拥挤，并可通过疏水作用介导相分离，因此具有分子内拥挤感受器的功能。有趣的是，该感受器仅存在于陆地植物的DCP5蛋白中，而来自低等藻类、酵母及动物的DCP5同源蛋白因为缺乏该感受器而无法通过凝聚感知渗透胁迫。

DCP5介导的渗透胁迫感知与适应机制示意图

DCP5在形成凝聚体的过程中，会招募RNA结合蛋白及翻译起始因子，并通过与多腺苷酸结合蛋白PABs的互作募集大量mRNA，形成被称为DOSG（DCP5-enriched osmotic stress granule）的应激颗粒。DOSG进而通过对翻译组和转录组的双重调控，促进植物对渗透胁迫的适应。因此DCP5在感知渗透胁迫的同时，也直接参与对渗透胁迫的适应。

上述研究结果表明，植物细胞质中存在一条由多功能的渗透感受器蛋白DCP5介导的渗透胁迫感知与适应的新途径。该途径通过DCP5相分离和DOSG装配同时实现对渗透胁迫的感知和适应，无需信号分子和信号传导网络，因而更具时效性。

文章作者：王振宇，杨秋华，张丹，卢远怡，王益川，潘亚婕，裘喻平，门涌帆，严维，肖志娜，孙瑞雪，李文阳，黄鸿达，郭红卫

王振宇，男，南方科技大学研究助理教授，本文第一作者

郭红卫，男，南方科技大学讲座教授，本文通讯作者

本文由论文作者团队受邀供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。

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