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Molecular Cell | 王伟课题组报道蛋白酶体调控应激颗粒稳态抵御高温胁迫的新机制

2024-08-21 点击：

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Molecular Cell | 王伟课题组报道蛋白酶体调控应激颗粒稳态抵御高温胁迫的新机制

应激颗粒（Stress Granule，SG）是在细胞受到外界环境刺激的情况下，由RNA和蛋白通过液液相分离(Liquid-Liquid Phase Separation，LLPS)形成的颗粒状生物大分子凝聚物（Biomolecular condensates）[1]。在真核生物中，SG的形成与解聚是一个高度动态变化的过程，其动态平衡通过对细胞内蛋白质翻译和RNA的调控来促进应激后细胞功能的恢复[2, 3]。近年来研究发现，SG稳态异常或者形成不可逆的纤维状结构可能是肌萎缩性侧索硬化症等神经退行性疾病发生的关键因素[4]，但是到目前为止植物中没有发现不可逆SG形成。这表明植物可能具备更有效的策略，来防止蛋白的聚集，从而维持SG的可逆调控。然而，植物中SG的动态和稳态调控分子机制，及其与植物胁迫适应性间的关系尚不清楚。

2024年8月21日，北京大学生命科学学院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、生命科学联合中心王伟课题组，在《Molecular Cell》期刊在线发表题为“Proteasome resides in and dismantles plant heat stress granules constitutively”的研究论文，报道了蛋白酶体在SG中活性增强并协助SG解聚，提高植物抗高温能力的新机制。该研究为动植物SG稳态调控和细胞逆境胁迫响应提供全新的研究方向。

本研究通过poly(A)⁺ RNA原位杂交和SG标记蛋白（RBP47B、PAB2和UBP1C）的动态追踪，发现热胁迫温度的升高比热胁迫持续时间的延长更显著地影响SG的形成和解聚。不同SG标记蛋白的流动性虽有差别，但是温度上升均显著抑制这些标记蛋白的流动性，并表现出相同的SG形成和解聚变化趋势。

为了寻找调控SG稳态的关键因子，作者对具有较高流动性的SG进行富集，通过AP-MS和IP-MS的蛋白组学联合分析，以及体内外共定位实验证明蛋白酶体是SG的稳定组成成分。随后作者对SG中蛋白酶体的功能进行研究，通过对SG形成动态和该结构中蛋白酶体活性进行追踪，发现蛋白酶体的组分是在SG形成后逐渐被招募，并组装成具有更高蛋白酶催化活性的蛋白酶体复合体（图1）。然而SG中的蛋白酶体并不影响RBP47B蛋白的分子流动性，该结果表明SG整体动态与其标记蛋白的分子流动性不具备必然的偶联关系，澄清了在前人研究中使用SG标记蛋白的分子动态性表征SG整体动态性的误区。

图1：SG中蛋白酶体的活性

由于蛋白酶体介导的泛素化修饰蛋白降解途径（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）是维持细胞内蛋白平衡的重要方式。作者对SG中总蛋白和RBP47B蛋白的泛素化修饰进行检测，发现虽然UPS在SG形成和解聚的过程中均有作用，但是该系统的主要功能为促进SG的解聚，而不是SG形成。最后作者对蛋白酶体亚基进行突变体筛选，鉴定出一个α亚基pad1突变体，该基因突变并不影响拟南芥在正常条件下的蛋白酶体活性和植株生长，但严重影响植物在高温条件下的蛋白酶体活性，使得突变体表现出较慢的SG解聚速度和对高温敏感的生长表型。基于以上结果，作者建立起蛋白酶体调控SG形成和解聚，提高植物抗高温能力的分子模型（图2）。

图2：蛋白酶体促进SG解聚提高植物耐高温能力

剧烈的高温往往导致错误折叠或者变性失活蛋白的聚集体（Protein aggregation），这些聚集体通过UPS被清除。然而SG与这些聚集体有着本质上的区别：SG具有较强流动性，使其形成和解聚可以快速相互转换，从而维持蛋白和RNA的平衡和功能。本研究通过探究蛋白酶体进入SG、组装、酶活，以及对底物水解能力，阐明蛋白酶体可被招募进入SG，维持SG内的蛋白平衡、调控其稳态，提高植物耐高温的重要生物学意义。近两年王伟课题组的工作（Nature Plants，2023；Molecular Cell，2024）深入解析了植物SG的功能和生物学意义，其涉及的技术和方法为该研究领域提供了指导。

北京大学、生命科学联合中心王伟研究员为论文通讯作者。北京大学海外交流引进博士后谢周丽（已出站，现就职于华中农业大学）和博士后赵帅（已出站，现就职于首都师范大学）为该论文的共同第一作者。首都师范大学周冕研究组、安徽农业大学吴承云研究组和华中农业大学吴洪洪研究组也参与了本研究。本研究得到蛋白质与植物基因研究国家重点实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学生命科学学院、生命科学联合中心、北京市科技新星计划和海外交流引进博士后项目的资助。

原文链接：

https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00631-2

王伟

北京大学生命科学学院研究员

北大-清华生命科学联合中心PI

邮箱：

oneway1985@pku.edu.cn

实验室主页：

http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/801.html

研究领域：

在基础研究方面，主要致力于阐明植物中应激颗粒的形成机制、生物学功能和进化学意义。应激颗粒是一种重要的转录后和翻译调控方式。对哺乳动物细胞的研究表明，应激颗粒与神经退行性疾病、肿瘤凋亡、病毒侵染、免疫、炎症反应等密切相关。然而，应激颗粒在植物中的功能有待解析。本实验室综合运用细胞生物学、分子生物学、蛋白质组学、基因组学和生物信息学等手段发现了植物诱导应激颗粒形成的分子学机制、解析了植物应激颗粒的蛋白组分并对其生物学功能进行了探索。

在作物研究方面，主要关注大豆根系生物钟与大豆孢囊线虫互作的分子机理。近年来对于植物生物钟的深入研究确立了其在拮抗叶片病原体中的关键作用。而对于植物生物钟和根系病原体之间的互作知之甚少。因此解析植物根系生物钟与孢囊线虫之间的互作及相关信号转导途径将填补这一重要的空白。孢囊线虫是目前限制大豆产量最主要的病虫害。每年在全球造成数十亿美元的经济损失。对于孢囊线虫与大豆根系生物钟互作机理的理解将有助于发现拮抗孢囊线虫新的生物靶标。

在生物技术开发方面，本实验室结合Fabry–Pérot干涉仪原理、新型廉价纳米级Fabry–Pérot干涉仪制备技术以及专门针对小分子的核酸适体筛选方法已成功研制出具有高灵敏度、制备价格极为低廉的新型纳米感应器用于植物激素的定量测定。这类新型纳米探测器也可替代表面等离子共振仪用于定量分析分子互作。

参考文献：

1.Protter, D.S. and R. Parker, Principles and Properties of Stress Granules. Trends Cell Biol, 2016. 26(9): p. 668-79.

2.Wheeler, J.R., T. Matheny, S. Jain, R. Abrisch, and R. Parker, Distinct stages in stress granule assembly and disassembly. eLife, 2016. 5: p. e18413.

3.Youn, J.Y., B.J.A. Dyakov, J. Zhang, J.D.R. Knight, R.M. Vernon, J.D. Forman-Kay, and A.C. Gingras, Properties of Stress Granule and P-Body Proteomes. Mol Cell, 2019. 76(2): p. 286-294.

4.Wang, F., J. Li, S. Fan, Z. Jin, and C. Huang, Targeting stress granules: A novel therapeutic strategy for human diseases. Pharmacological Research, 2020. 161: p. 105143.