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。陆地环境极易因干旱洪涝、极端温度及土地盐碱化对固着生长的植物产生渗透胁迫。渗透胁迫促使水分快速进出细胞，迅速改变细胞体积和细胞内部的理化状态，严重影响植物生长发育，因此也对农业生产构成巨大威胁。据统计，全球农作物因与渗透相关的各类非生物胁迫造成的损失占到总产量的一半以上。过往研究表明植物能够通过多层次复杂机制协同作用来逐步适应渗透胁迫环境，但对于植物细胞最初如何感知渗透胁迫的认识还很有限。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，进而介导胞外钙离子内流引发后续的胁迫响应。然而细胞能否通过其它机制实现渗透胁迫的感知和适应呢？
来自南方科技大学的郭红卫研究团队近日在 Science 上发表题为『A cytoplasmic osmosensing mechanism mediated by molecular crowding–sensitive DCP5』的研究论文，揭示了一条存在于植物细胞质中，由相分离蛋白 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 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 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。
DCP5 通过迅速可逆的凝聚感知高渗胁迫
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（intracellular crowding sensor, ICS）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 通过 ICS 感知分子拥挤并介导相分离
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。
DCP5 介导的渗透胁迫感知与适应机制示意图
上述研究结果表明，DCP5 蛋白可作为多功能的渗透感受器（osmosensor），通过分子拥挤敏感的相分离和 DOSG 装配，在植物细胞质中实现对渗透胁迫的感知和适应。相比经典的「感受器-信号转导-基因表达调控」途径，由相分离蛋白和无膜细胞器介导的环境感知和适应机制无需信号分子和信号转导过程，因而能够更加迅速地响应环境变化。该研究也为蛋白相分离作为细胞环境感受通用机制的新观点提供了重要的实验证据。
南方科技大学研究助理教授王振宇为本文第一作者，讲座教授郭红卫为本文通讯作者。南方科技大学杨秋华、张丹、卢远怡、王益川、潘亚婕、裘喻平、严维、肖志娜、孙瑞雪、李文阳、黄鸿达副教授以及中国科学院深圳先进技术研究所的门涌帆研究员均为该项研究做出了重要贡献。该工作获得了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划项目、深圳市重点实验室组建项目、深圳市高层次人才团队项目、中国农业科学院深圳农业基因组研究所岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心自主立项科研项目及新基石研究员项目的支持。
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图片来源：图虫创意
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