刚刚，我国植物科学领域再发Science！附院士点评

学术 2024-11-01 08:41 广东

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化境，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。

专家点评：

种康（中国科学院植物研究所研究员，中国科学院院士）

作为固着生物，植物需要直面环境渗透压频繁改变所造成的巨大影响。及时感知环境渗透压变化，并对其做出恰当的回应是植物能够在复杂多变的陆地环境中兴旺繁衍的基础。传统认识中，细胞对环境渗透压变化的感知主要来自于细胞膜上机械力门控通道对膜张力变化的感受。以PIEZO和OSCA家族成员为例，它们通过构象变化响应由渗透胁迫引起的膜张力变化，介导胞外钙离子的快速内流，从而引发胞内的信号转导过程，并最终在基因表达层面对渗透胁迫做出应答。此外，PIEZO蛋白还能以类似的机制参与人类神经细胞对于温度和触觉的感受，这些发现对于理解生物如何感知环境具有重要意义，因此获得了2021年诺贝尔生理学或医学奖。然而，这个机制似乎并不足以全面解释细胞对环境渗透压变化的感知，原因在于除膜张力外，渗透作用还会同时引起细胞内多种理化性质的改变，而这些改变能否作为渗透信号被细胞感受到呢？

南方科技大学郭红卫团队近期的研究给予了这个问题一个肯定的答案。他们发现植物DCP5蛋白能够通过感受细胞质中的分子拥挤来感知环境中的渗透变化。作为一个能够在细胞内同时引起众多效应的刺激，渗透作用通过多种而非单一的方式，实现平行的或交互式的感知是非常合理的。不难理解，单一的感知方式可能很难在时间和空间层面满足植物全面应对多种复杂渗透效应的需求。另一方面，通过蛋白相分离组装形成的生物大分子凝聚体往往无需依赖第二信使或磷酸级联反应介导的信号传递过程，就能直接产生帮助生物体适应环境变化的作用。正如郭红卫团队发现，DCP5通过相分离招募mRNA和各类蛋白形成应激颗粒（stress granule），直接通过翻译和转录两个水平的调控促进植物适应渗透胁迫。因此，DCP5同时扮演着渗透感受器和效应蛋白两个角色。与“受体感知-信号转导-基因表达”的经典途径相比更加高效和经济。他们的发现无疑拓展了对植物细胞渗透感受机制的传统认识，也对全面理解动植物细胞感受各种环境变化具有积极的启发作用。

郭红卫团队在研究工作中不受过往认知的束缚，敢于提出新假设，积极开发新方法、新工具，从新颖的视角回答经典命题，不失为生命科学领域基础科研创新的一个范例。

俞皓（新加坡国立大学教授，新加坡国家科学院院士）

渗透胁迫是固着生长的植物经常需要应对的重要逆境胁迫条件，高盐、干旱等诸多环境因素都会导致植物细胞失水而引起渗透胁迫。植物细胞在应对此胁迫时，会诱导多种生物物理变化，包括细胞体积缩小而导致的分子聚集，这对感知和响应渗透胁迫至关重要，但其生物学作用和分子机制尚不明确。目前已发现生物大分子的凝聚可响应细胞内分子拥挤程度的变化，参与植物对环境胁迫的感知，然而植物细胞如何监测细胞内的“分子拥挤程度”，以及如何转化并传递这些信号以精确控制渗透胁迫的应答过程仍不清楚。

南方科技大学郭红卫团队的最新研究对此提供了重要解答，该研究发现了一种全新的植物渗透胁迫感应器——细胞质内DCP5-enriched osmotic stress granules (DOSG)，详细阐明了植物感应渗透胁迫的细胞生物学过程及其分子机制，是该领域的一项突破性进展！该研究通过扎实详尽的细胞学观察、遗传分析、生化验证和分子机制解析，充分证实了DCP5蛋白通过其植物特有intramolecular crowding sensor (ICS)序列的作用，直接感知渗透胁迫下细胞内分子拥挤程度的变化，进而发生相分离形成动态可逆的应激颗粒，这是植物感应渗透胁迫的早期关键反应。DCP5相分离形成的应激颗粒具备招募mRNA和蛋白组分的能力，是对渗透胁迫下分子拥挤的一种功能性反应，可参与广泛的转录和翻译水平调控，对植物在干旱、盐胁迫等逆境条件下的生长发育具有重要影响。该研究提供的创新性视角和证据揭示了植物感应渗透胁迫的新机制，对深入理解植物逆境响应过程具有重要意义，也为定向改良农作物耐逆性提供了新思路。

杨淑华（中国农业大学教授，植物抗逆高效全国重点实验室主任）

蛋白质分子，类似于高分子化合物，在特定的理化环境中也会发生相态变化。这种相分离或相变主要是由分子内及分子间的多价互作引起的，包括疏水作用、静电作用及阳离子-π等非共价互作。这些弱相互作用往往源自相变蛋白中高频出现的固有无序区（intrinsically disordered region，IDR）。由于缺乏稳定的高级结构，IDR呈现出开放、多变和柔性的结构特征。和高度折叠的刚性结构相比，溶液分子对IDR的可及性更高，使其更易受到环境理化变化的影响。因此，IDR不仅能够提供多价互作驱动相分离，还可能作为分子内的环境感受器，监测细胞内环境中各种理化指标的变化。近年来，生物学领域相分离研究陆续发现多个对温度、光照、离子强度、pH、氧化还原状态、CO₂浓度等指标敏感的蛋白，能够通过相分离响应上述理化变化，表明蛋白相分离可能是细胞环境感受过程中的通用机制。

渗透胁迫是植物经常遭遇的一种的非生物胁迫。南方科技大学郭红卫团队研究发现，拟南芥DCP5蛋白能够迅速响应渗透胁迫，并在细胞体积变化时可逆地组装形成凝聚体。研究还发现DCP5蛋白对大分子拥挤环境高度敏感，能够在体外人工模拟拥挤环境和渗透失水引起的体内拥挤环境中发生相分离。通过巧妙的实验设计，团队证明了DCP5蛋白中的一段IDR可以通过构象变化来感知分子拥挤，并通过其富含的疏水性氨基酸促进疏水作用，引发相分离。DCP5凝聚体作为一类特殊的应激颗粒，还可以通过翻译和转录水平的调控参与植物对渗透胁迫的适应过程。因此，DCP5作为一种新型的渗透压感受器蛋白，通过感应细胞内大分子拥挤程度来监测细胞外的渗透压变化。这一发现刷新了我们对细胞渗透压感受机制的传统认识，也拓展了该领域的研究视角，并为IDR作为环境感受器的观点提供了重要证据。

值得注意的是，除了DCP5之外，近期还发现了其他一些能够通过相分离感知渗透变化的蛋白。例如，YAP和SEUSS能够通过在细胞核内形成凝聚体调控基因的转录，而激酶WNK1则能够通过细胞质中形成凝聚体激活下游的离子通道。这些蛋白通过类似机制形成凝聚体，又以不同的机制促进植物对渗透胁迫环境的适应。考虑到渗透引起的分子拥挤效应对整个细胞的影响，这些发现还暗示着在不同物种、不同类型的细胞以及细胞器中，可能存在其他功能各异但具有类似感受机制的渗透感受器蛋白。未来，发现并研究更多具有感受器功能的相分离蛋白，比较它们对环境感受机制及对胁迫的适应方式，不仅将是一个令人兴奋的研究方向，而且对于我们全面而深入的理解细胞如何感知环境—这一核心的生命科学问题—也具有重要意义。

朱健康（美国国家科学院院士，南方科技大学教授，前沿生物技术研究院院长）/王鹏程（南方科技大学教授）

陆生植物需要监控细胞内渗透势灵敏变化，以维持细胞和植株形态，从土壤中吸收水分和营养，并适应外部环境变化。干旱、盐碱和低温等会造成植物细胞水分散失，形成渗透胁迫，抑制植物的生长，是造成农作物减产的主要环境因素。植物如何感受和应答水分散失是植物生物学领域基本科学问题之一。近日，南方科技大学郭红卫教授团队发现DCP5是植物感受水分散失导致的细胞体积变化的核心蛋白，为这一未解之谜提供了一个答案。DCP5蛋白包含一段被称为细胞拥挤感受器（intramolecular crowding sensor，ICS）的无序序列，可以灵敏感受细胞失水导致的分子拥挤，形成蛋白凝聚体。DCP5通过招募PAB2/4/8等RNA结合蛋白，形成富含DCP5的渗透胁迫小体（DCP5-enriched osmotic stress granule），调控渗透胁迫应答的转录和翻译过程。dcp5突变体中大量渗透胁迫应答基因和蛋白的变化与野生型有显著差异，导致dcp5突变体植物对高盐、高渗等处理敏感。值得注意的是，DCP5对细胞失水的感受并不依赖于已报道渗透感受器OSCA1以及介导渗透应答的RAF-SnRK2激酶级联途径，显示了DCP5以一种全新的方式介导植物对于细胞失水的感受和应答。这一研究还对植物特有的ICS序列感受分子拥挤的机制进行分析，发现ICS序列中富集的疏水氨基酸的互作导致的构象变化可能是DCP5感受渗透势的分子基础，为阐释分子拥挤或渗透介导蛋白质凝集的分子机制提供重要线索。植物特有ICS的发现也暗示植物存在更多类似功能的蛋白，通过感受细胞内的渗透势变化，调控多种生理过程，使植物适应复杂的环境变化。

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