王伟课题组报道应激颗粒实现胞内氧化还原异质性的新功能：细胞抗氧化的“智能调控枢纽”-生命科学联合中心

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王伟课题组报道应激颗粒实现胞内氧化还原异质性的新功能：细胞抗氧化的“智能调控枢纽”

2025-12-22 点击：

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王伟课题组报道应激颗粒实现胞内氧化还原异质性的新功能：细胞抗氧化的“智能调控枢纽”

细胞内氧化应激是一柄双刃剑，适度氧化是能量代谢、信号传导的必需环节，但过度氧化则会导致蛋白损伤甚至降解，威胁细胞生存[1]。还原型谷胱甘肽（GSH）作为细胞核心抗氧化分子[2]，其高达毫摩尔级含量如何得到精准的调控是长期以来领域内的未解之谜：如何在保障必要氧化反应的同时，避免蛋白氧化[3]？这一关键科学问题近日迎来突破性解答。

2025年12月19日，北京大学生命科学学院、基因功能研究与操控全国重点实验室、北大-清华生命科学联合中心王伟团队，在《Molecular Plant》期刊上在线发表题为“Duet between stress granules and glutathionylation regulates cytosolic redox state to maintain proteostasis in Arabidopsis”的研究论文。该研究首次阐明蛋白谷胱甘肽化修饰与应激颗粒（Stress Granule，SG）的双向协同调控机制，不仅破解了细胞氧化平衡难题，更重新定义了SG的作为无膜细胞器整体的生物学新功能。

王伟课题组前期研究发现，在水杨酸（Salicylic Acid，SA）诱导的氧化应激条件下，细胞会大量形成由RNA与蛋白组成的SG，这类无膜细胞器可招募mRNA及翻译相关元件，从而调控应激状态下的细胞翻译水平[4]。在此基础上，作者进一步观察到，SG同时富集了大量与GSH合成及代谢相关的酶及蛋白，提示其可能参与细胞氧化还原调控。

为进一步深入研究SG的功能和GSH调控的细胞内氧化还原关系，作者开发了基于激活型荧光探针的点击化学反应，实现了蛋白质谷胱甘肽化修饰的活体成像技术（Click-activated metabolic Labeling and imaging of glutathionylation，CamLog）。该技术无需转入外源基因，可实现生理条件下谷胱甘肽化修饰蛋白的动态可视化。借助CamLog技术，作者成功在拟南芥根部观察到SA诱导形成的谷胱甘肽化蛋白凝聚体（图1）。

图1. CamLog技术观察SA诱导形成的谷胱甘肽化蛋白凝聚体

接着作者通过SG标志蛋白共定位、富集谷胱甘肽化修饰的SG蛋白与质谱鉴定，证实了这些凝聚体是SG的核心组成部分。机制研究显示，SG的形成依赖蛋白液-液相分离（LLPS），而过度氧化会削弱蛋白的LLPS能力。SA诱导的蛋白谷胱甘肽化修饰，可赋予蛋白氧化还原缓冲能力，确保其在氧化环境中维持LLPS活性，进而促进SG组装。实验证实，利用TCEP抑制全局蛋白谷胱甘肽化修饰，可显著抑制SG的形成，明确了该修饰是驱动SG组装的关键分子基础。

随后作者揭示了SG的双重调控机制。作为无膜细胞器，一方面SG能在氧化态细胞质中构建还原性微环境，对翻译有关蛋白进行隔离保护，从而抑制氧化诱导的蛋白降解。另一方面，SG招募GSH生物合成的限速酶GSH1，通过抑制细胞质中的GSH合成，维持应激状态下的适度氧化水平，保障氧化信号通路的正常激活（图2）。

图2. SG与谷胱甘肽化修饰协同作用，塑造出氧化还原电势的空间异质性分布

这一发现重新定义了SG作为无膜细胞器的整体性生物学功能，表明SG并不仅仅只是应激条件下的翻译调控场所，也是主动调控细胞抗氧化能力的核心枢纽。同时，SG与谷胱甘肽化修饰协同作用塑造的细胞质中氧化还原电势异质性，打破了人们对细胞抗氧化机制的传统认知，为重新理解细胞抗氧化机制提供了全新理论，也对易受氧化损伤的组织研究具有重要启示。

近年来，王伟课题组在植物SG研究领域持续产出，先后在《Nature Plants》，2023[4]；《Molecular Cell》，2024[5]；《Molecular Plant》，2025发表系列论文，系统解析了SG的功能和形成机制，其涉及的技术和方法为该研究领域提供了指导。

北京大学生命科学学院、基因功能研究与操控全国重点实验室、北大-清华生命科学联合中心王伟研究员为论文通讯作者。北京大学博士后赵帅（已出站，现就职于首都师范大学）、博士后谢周丽（已出站，现就职于华中农业大学）和在读博士生陈効远为该论文的共同第一作者；首都师范大学周冕研究组参与了本研究。本研究得到了国家自然科学基金、基因功能研究与操控全国重点实验室、生命科学联合中心、首都师范大学、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划和海外交流引进博士后等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.12.018

参考文献：

1.Waszczak, C., M. Carmody, and J. Kangasjärvi, Reactive Oxygen Species in Plant Signaling. Annu Rev Plant Biol, 2018. 69: p. 209-236.

2.Noctor, G., et al., Glutathione in plants: an integrated overview. Plant Cell Environ, 2012. 35(2): p. 454-84.

3.Noctor, G., J.-P. Reichheld, and C.H. Foyer, ROS-related redox regulation and signaling in plants. Seminars in Cell & Developmental Biology, 2017. 80: p. 3-12.

4.Xie, Z., et al., Phenolic acid-induced phase separation and translation inhibition mediate plant interspecific competition. Nature Plants, 2023. 9: p. 1481-1499.

5.Xie, Z., et al., Proteasome resides in and dismantles plant heat stress granules constitutively. Mol Cell, 2024. 84(17): p. 3320-3335 e7.

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。