2024年11月1日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講席教授郭紅衛(wèi)課題組在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 Science 發(fā)表題為“A cytoplasmic osmosensing mechanism mediated by molecular crowding-sensitive DCP5”的研究論文，揭示了植物細(xì)胞質(zhì)中由大分子擁擠敏感蛋白 DCP5 介導(dǎo)的滲透脅迫感知與適應(yīng)的新機(jī)制。

　　位于細(xì)胞膜內(nèi)外的水分子因膜兩側(cè)存在滲透壓梯度而自發(fā)遷移的現(xiàn)象被稱為滲透作用。細(xì)胞伴水而生，因此，經(jīng)常面臨細(xì)胞內(nèi)外滲透壓不平衡的挑戰(zhàn)，即滲透脅迫。為了維持自身形態(tài)和適宜的含水量，細(xì)胞必須具備感知并適應(yīng)各種環(huán)境滲透脅迫的能力。這些能力對(duì)于根細(xì)胞等直接暴露于自然環(huán)境中的植物細(xì)胞來說尤為重要，因?yàn)楣讨畹闹参锝?jīng)常面臨由干旱、洪澇、高鹽和極端溫度等導(dǎo)致的滲透脅迫，并缺乏類似動(dòng)物由皮膚、外骨骼及內(nèi)環(huán)境等構(gòu)成的滲透保護(hù)屏障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因各種與滲透脅迫相伴而生的自然災(zāi)害所造成的農(nóng)作物損失超過總產(chǎn)量的一半。因此，深刻理解植物細(xì)胞感知和適應(yīng)環(huán)境滲透脅迫的分子機(jī)制具有極其重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

　　當(dāng)細(xì)胞暴露于滲透脅迫環(huán)境中時(shí)，其體積由于水分快速進(jìn)出細(xì)胞而發(fā)生明顯變化。體積變化進(jìn)而引發(fā)一系列可被細(xì)胞感知的物理化學(xué)信號(hào)。例如，細(xì)胞膜上因體積變化導(dǎo)致的張力變化可以通過激活跨膜的機(jī)械力敏感型離子通道(包括PIEZO, OSCA/TMEM63及MSL家族成員)介導(dǎo)快速的鈣離子內(nèi)流，從而觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)部的滲透信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及適應(yīng)反應(yīng)。這一途徑一度被認(rèn)為是細(xì)胞感受滲透脅迫的唯一機(jī)制。然而，體積變化帶來的影響并不僅限于膜張力的改變，如高滲脅迫導(dǎo)致的細(xì)胞收縮就能顯著地增加細(xì)胞內(nèi)部大分子的擁擠程度。因此，滲透脅迫感知能否在細(xì)胞的其他位置通過機(jī)械力門控通道以外的新型感受器蛋白以與膜張力感知不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，已成為一個(gè)有待回答且非常有趣的科學(xué)問題。

　　郭紅衛(wèi)團(tuán)隊(duì)在研究擬南芥 RNA 降解相關(guān)蛋白的過程中，意外觀察到原本均勻分散在細(xì)胞質(zhì)中的 Decapping 5 (DCP5) 蛋白會(huì)在植物暴露于高滲脅迫后迅速發(fā)生凝聚，形成大量類似于液滴的凝聚體。該凝聚現(xiàn)象與細(xì)胞體積因失水而縮小的趨勢(shì)高度相關(guān)，當(dāng)細(xì)胞體積重新恢復(fù)或高滲脅迫撤去之后，這些凝聚體又逐步分散消失。DCP5 迅速、可逆的凝聚行為以及 DCP5 凝聚體的液體性質(zhì)暗示該凝聚現(xiàn)象很可能由蛋白質(zhì)的液液相分離 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 所介導(dǎo)。研究人員通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，DCP5 的確具有相分離的能力，可在體內(nèi)及體外的大分子擁擠環(huán)境中發(fā)生相分離。這初步解釋了 DCP5 能夠通過凝聚響應(yīng)高滲脅迫的原因。

圖1 滲透脅迫誘導(dǎo)DCP5發(fā)生迅速可逆的凝聚

　　接下來，研究人員繼續(xù)研究 DCP5 蛋白感知分子擁擠并發(fā)生相分離的分子機(jī)制。研究表明，DCP5 的相分離與其分子內(nèi)部的一段固有無(wú)序區(qū) (intrinsically disordered region, IDR) 高度相關(guān)。當(dāng)該區(qū)域被刪除后，DCP5 的凝聚現(xiàn)象完全消失。進(jìn)一步研究表明，該 IDR 區(qū)域能通過構(gòu)象變化感知細(xì)胞內(nèi)部分子擁擠程度的改變。有趣的是，該 IDR 區(qū)域僅存在于陸地植物及其近親的 DCP5 同源蛋白中，這也與來自酵母、低等藻類及動(dòng)物的 DCP5 同源蛋白不具備響應(yīng)滲透脅迫并發(fā)生相分離的觀察結(jié)果一致。更重要的是，陸地植物 DCP5 的 IDR 區(qū)域富含疏水性側(cè)鏈氨基酸，這些氨基酸則能通過多價(jià)疏水作用介導(dǎo) DCP5 發(fā)生相分離。這些結(jié)果充分說明，陸地植物 DCP5 通過由 IDR 構(gòu)成的分子內(nèi)擁擠感受器 (intramolecular crowding sensor, ICS) 實(shí)現(xiàn)對(duì)滲透脅迫的感知并引發(fā)相分離。同時(shí)，也暗示類似于 DCP5 ICS 形成這樣的分子進(jìn)化事件很可能在陸地植物祖先適應(yīng)干燥的陸生環(huán)境過程中發(fā)揮重要作用。

　　成分分析研究表明，DCP5 凝聚體富含 RNA 結(jié)合蛋白以及翻譯起始因子，并可通過 DCP5 與多聚腺苷酸結(jié)合蛋白 PAB 的互作招募大量 mRNA，組成上符合應(yīng)激顆粒 (stress granule, SG) 的特征，因此被命名為 “DCP5-enriched osmotic stress granule (DOSG)”。伴隨著對(duì) mRNA 和翻譯起始因子的招募，以及 DCP5 自身所具有的翻譯調(diào)控功能，DOSG 的裝配顯著地改變了眾多植物基因的翻譯效率。同時(shí)，由于部分轉(zhuǎn)錄因子及核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也會(huì)被 DOSG 招募，植物轉(zhuǎn)錄組也會(huì)因此受到影響。當(dāng) DCP5 缺失后，植物表現(xiàn)出滲透脅迫敏感的表型，且無(wú)法被缺失 ICS 的 DCP5 突變蛋白(無(wú)法形成DOSG)完全回補(bǔ)。這些結(jié)果說明通過相分離和 DOSG 裝配，DCP5 在感知滲透脅迫的同時(shí)，也直接介導(dǎo)了翻譯和轉(zhuǎn)錄水平上的脅迫應(yīng)答，使植物能夠迅速適應(yīng)脅迫環(huán)境。

圖2 DCP5介導(dǎo)的滲透脅迫感知與適應(yīng)機(jī)制示意圖

　　綜上所述，團(tuán)隊(duì)在該研究中發(fā)現(xiàn)了分子擁擠敏感蛋白 DCP5 可作為多功能的植物滲透感受器 (osmosensor)，通過相分離介導(dǎo)一個(gè)細(xì)胞質(zhì)中滲透脅迫感知與適應(yīng)的全新機(jī)制。該機(jī)制的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了細(xì)胞滲透壓感知可在細(xì)胞內(nèi)部非膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的猜想。與經(jīng)典的由信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程實(shí)現(xiàn)的滲透脅迫應(yīng)答途徑不同，DCP5 在感知滲透脅迫的同時(shí)直接實(shí)現(xiàn)了脅迫應(yīng)答，無(wú)需額外的信使分子參與，因而更具時(shí)效性。而由 DOSG 裝配引發(fā)的翻譯調(diào)控也代表了植物滲透脅迫適應(yīng)過程中的一個(gè)新層次。此外，該研究也為蛋白無(wú)序區(qū)作為胞內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)感受器的觀點(diǎn)提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　南方科技大學(xué)為論文第一單位。南方科技大學(xué)研究助理教授王振宇為論文第一作者，郭紅衛(wèi)為論文通訊作者。南方科技大學(xué)博士研究生楊秋華、研究助理張丹、碩士研究生盧遠(yuǎn)怡、高級(jí)工程師王益川、博士后潘亞婕、博士后裘喻平、研究助理教授嚴(yán)維、研究學(xué)者肖志娜、碩士研究生孫瑞雪、研究副教授李文陽(yáng)、副教授黃鴻達(dá)以及中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究所研究員門涌帆均為該項(xiàng)研究做出了重要貢獻(xiàn)。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組建項(xiàng)目、深圳市高層次人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心自主立項(xiàng)科研項(xiàng)目及新基石研究員項(xiàng)目的支持。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9067