2024-11-01 | 科研部 Science | 南科大郭红卫团队研究揭示植物细胞渗透胁迫感知的新机制

2024年11月1日，南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫课题组在顶级学术期刊 Science 发表题为“A cytoplasmic osmosensing mechanism mediated by molecular crowding-sensitive DCP5”的研究论文，揭示了植物细胞质中由大分子拥挤敏感蛋白 DCP5 介导的渗透胁迫感知与适应的新机制。

位于细胞膜内外的水分子因膜两侧存在渗透压梯度而自发迁移的现象被称为渗透作用。细胞伴水而生，因此，经常面临细胞内外渗透压不平衡的挑战，即渗透胁迫。为了维持自身形态和适宜的含水量，细胞必须具备感知并适应各种环境渗透胁迫的能力。这些能力对于根细胞等直接暴露于自然环境中的植物细胞来说尤为重要，因为固着生活的植物经常面临由干旱、洪涝、高盐和极端温度等导致的渗透胁迫，并缺乏类似动物由皮肤、外骨骼及内环境等构成的渗透保护屏障。据统计，全球每年因各种与渗透胁迫相伴而生的自然灾害所造成的农作物损失超过总产量的一半。因此，深刻理解植物细胞感知和适应环境渗透胁迫的分子机制具有极其重要的理论价值和现实意义。

当细胞暴露于渗透胁迫环境中时，其体积由于水分快速进出细胞而发生明显变化。体积变化进而引发一系列可被细胞感知的物理化学信号。例如，细胞膜上因体积变化导致的张力变化可以通过激活跨膜的机械力敏感型离子通道（包括PIEZO, OSCA/TMEM63及MSL家族成员）介导快速的钙离子内流，从而触发细胞内部的渗透信号转导及适应反应。这一途径一度被认为是细胞感受渗透胁迫的唯一机制。然而，体积变化带来的影响并不仅限于膜张力的改变，如高渗胁迫导致的细胞收缩就能显著地增加细胞内部大分子的拥挤程度。因此，渗透胁迫感知能否在细胞的其他位置通过机械力门控通道以外的新型感受器蛋白以与膜张力感知不同的机制实现，已成为一个有待回答且非常有趣的科学问题。

郭红卫团队在研究拟南芥 RNA 降解相关蛋白的过程中，意外观察到原本均匀分散在细胞质中的 Decapping 5 (DCP5) 蛋白会在植物暴露于高渗胁迫后迅速发生凝聚，形成大量类似于液滴的凝聚体。该凝聚现象与细胞体积因失水而缩小的趋势高度相关，当细胞体积重新恢复或高渗胁迫撤去之后，这些凝聚体又逐步分散消失。DCP5 迅速、可逆的凝聚行为以及 DCP5 凝聚体的液体性质暗示该凝聚现象很可能由蛋白质的液液相分离 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 所介导。研究人员通过相关实验证实，DCP5 的确具有相分离的能力，可在体内及体外的大分子拥挤环境中发生相分离。这初步解释了 DCP5 能够通过凝聚响应高渗胁迫的原因。

图1 渗透胁迫诱导DCP5发生迅速可逆的凝聚

接下来，研究人员继续研究 DCP5 蛋白感知分子拥挤并发生相分离的分子机制。研究表明，DCP5 的相分离与其分子内部的一段固有无序区 (intrinsically disordered region, IDR) 高度相关。当该区域被删除后，DCP5 的凝聚现象完全消失。进一步研究表明，该 IDR 区域能通过构象变化感知细胞内部分子拥挤程度的改变。有趣的是，该 IDR 区域仅存在于陆地植物及其近亲的 DCP5 同源蛋白中，这也与来自酵母、低等藻类及动物的 DCP5 同源蛋白不具备响应渗透胁迫并发生相分离的观察结果一致。更重要的是，陆地植物 DCP5 的 IDR 区域富含疏水性侧链氨基酸，这些氨基酸则能通过多价疏水作用介导 DCP5 发生相分离。这些结果充分说明，陆地植物 DCP5 通过由 IDR 构成的分子内拥挤感受器 (intramolecular crowding sensor, ICS) 实现对渗透胁迫的感知并引发相分离。同时，也暗示类似于 DCP5 ICS 形成这样的分子进化事件很可能在陆地植物祖先适应干燥的陆生环境过程中发挥重要作用。

成分分析研究表明，DCP5 凝聚体富含 RNA 结合蛋白以及翻译起始因子，并可通过 DCP5 与多聚腺苷酸结合蛋白 PAB 的互作招募大量 mRNA，组成上符合应激颗粒 (stress granule, SG) 的特征，因此被命名为 “DCP5-enriched osmotic stress granule (DOSG)”。伴随着对 mRNA 和翻译起始因子的招募，以及 DCP5 自身所具有的翻译调控功能，DOSG 的装配显著地改变了众多植物基因的翻译效率。同时，由于部分转录因子及核质转运蛋白也会被 DOSG 招募，植物转录组也会因此受到影响。当 DCP5 缺失后，植物表现出渗透胁迫敏感的表型，且无法被缺失 ICS 的 DCP5 突变蛋白（无法形成DOSG）完全回补。这些结果说明通过相分离和 DOSG 装配，DCP5 在感知渗透胁迫的同时，也直接介导了翻译和转录水平上的胁迫应答，使植物能够迅速适应胁迫环境。

图2 DCP5介导的渗透胁迫感知与适应机制示意图

综上所述，团队在该研究中发现了分子拥挤敏感蛋白 DCP5 可作为多功能的植物渗透感受器 (osmosensor)，通过相分离介导一个细胞质中渗透胁迫感知与适应的全新机制。该机制的发现证实了细胞渗透压感知可在细胞内部非膜结构实现的猜想。与经典的由信号转导过程实现的渗透胁迫应答途径不同，DCP5 在感知渗透胁迫的同时直接实现了胁迫应答，无需额外的信使分子参与，因而更具时效性。而由 DOSG 装配引发的翻译调控也代表了植物渗透胁迫适应过程中的一个新层次。此外，该研究也为蛋白无序区作为胞内环境理化性质感受器的观点提供了重要的实验证据。

南方科技大学为论文第一单位。南方科技大学研究助理教授王振宇为论文第一作者，郭红卫为论文通讯作者。南方科技大学博士研究生杨秋华、研究助理张丹、硕士研究生卢远怡、高级工程师王益川、博士后潘亚婕、博士后裘喻平、研究助理教授严维、研究学者肖志娜、硕士研究生孙瑞雪、研究副教授李文阳、副教授黄鸿达以及中国科学院深圳先进技术研究所研究员门涌帆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。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9067

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：曾昱雯