清華新聞網(wǎng)11月15日電 鹽堿地和干旱是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要限制因素，嚴(yán)重威脅我國(guó)糧食安全。高鹽或干旱條件下植物細(xì)胞失水引起滲透脅迫（osmotic stress），造成細(xì)胞死亡，抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育。植物細(xì)胞通過(guò)感知滲透壓的變化，在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后或者翻譯水平做出反應(yīng)，從而降低脅迫帶來(lái)的損害，但植物細(xì)胞感知滲透壓的變化的機(jī)制尚不清楚。
液-液相分離（Liquid-Liquid phase separation, LLPS）是細(xì)胞中生物大分子通過(guò)多價(jià)相互作用，形成生物大分子聚集體（Biomolecular condensate）的重要機(jī)制。蛋白的固有無(wú)序區(qū)（Intrinsically disordered region）因其氨基酸序列低復(fù)雜性，不具有折疊的結(jié)構(gòu)，是介導(dǎo)生物大分子間的多價(jià)相互作用的重要方式。生物大分子的LLPS對(duì)于細(xì)胞內(nèi)理化環(huán)境非常敏感，如溫度、pH、離子濃度、擁擠程度等會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)LLPS，影響生物大分子凝聚體的組裝、解聚或者相轉(zhuǎn)變，為細(xì)胞應(yīng)對(duì)外界脅迫提供了新的方式。
清華大學(xué)生命學(xué)院方曉峰助理教授課題組主要研究植物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的相分離如何幫助細(xì)胞感知、響應(yīng)和記憶非生物脅迫。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)擬南芥轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白SEUSS(SEU)在本氏煙草、酵母和擬南芥中均可以感應(yīng)滲透脅迫變化并形成蛋白凝聚體（如圖1），且這些凝聚體具有液態(tài)屬性。
圖1. SEU在高滲脅迫下發(fā)生相分離形成凝聚體
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SEU的N端IDR是其發(fā)生相分離的必要且充分條件。高滲脅迫引起細(xì)胞失水，細(xì)胞體積變小，從而引起細(xì)胞內(nèi)分子擁擠程度和離子濃度升高。SEU的相分離主要由分子擁擠程度升高引發(fā)。通過(guò)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)SEU的IDR1中存在兩個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)其構(gòu)象的改變，感受擁擠程度的變化。α-螺旋的缺失會(huì)使IDR1喪失感知分子擁擠的能力，且缺少α-螺旋的SEU蛋白不再能響應(yīng)滲透脅迫形成凝聚體，因此SEU通過(guò)響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)分子擁擠程度的變化，感知滲透脅迫（如圖2）。
圖2. SEU的相分離主要感知細(xì)胞內(nèi)分子擁擠程度變化
遺傳證據(jù)顯示，缺失SEU的突變體表現(xiàn)出滲透脅迫敏感表型。中國(guó)科學(xué)院植物研究所林榮呈研究員課題組主要從事光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與光合作用相關(guān)研究。課題組前期發(fā)現(xiàn)SEU通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)素合成與信號(hào)相關(guān)靶基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控幼苗生長(zhǎng)和適應(yīng)光溫環(huán)境。有趣的是，不具有響應(yīng)滲透發(fā)生相分離能力的SEU（去除IDR1或者去除IDR1中的α-螺旋結(jié)構(gòu)）能夠完全回補(bǔ)其突變體在正常生長(zhǎng)條件下的生長(zhǎng)發(fā)育表型，但不能回補(bǔ)突變體在滲透脅迫下的敏感表型，說(shuō)明SEU通過(guò)其凝聚體正調(diào)節(jié)植物細(xì)胞對(duì)高滲脅迫的耐受。通過(guò)基因表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)SEU的缺失會(huì)使包括P5CS1、RD20在內(nèi)的眾多滲透脅迫相關(guān)基因的表達(dá)在脅迫發(fā)生時(shí)不能有效表達(dá)（如圖3）。
圖3.SEU是植物細(xì)胞耐受滲透脅迫所必需的
綜上，在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下SEU在處于均勻分布狀態(tài)，調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)。當(dāng)植物受到高滲脅迫時(shí)SEU利用其IDR1中的兩個(gè)α-螺旋結(jié)構(gòu)感知細(xì)胞內(nèi)分子擁擠程度的增加，從而引起SEU蛋白的局部濃度升高，觸發(fā)其相分離。SEU凝聚體可以促進(jìn)滲透脅迫基因的表達(dá)而增強(qiáng)植物的耐逆性（如圖4）。本研究揭示了植物感知和應(yīng)對(duì)滲透脅迫的新機(jī)制，為研究植物抗逆提供了新思路。
圖4.SEU響應(yīng)滲透脅迫的工作模式圖
該文章于11月15日在《自然·化學(xué)生物學(xué)》（Nature ChemicalBiology）期刊上以長(zhǎng)文形式發(fā)表，題為“SEUSS的凝聚體促進(jìn)擬南芥對(duì)高滲脅迫的耐受”（Condensation of SEUSS promotes hyperosmotic stress tolerance in Arabidopsis）。
清華大學(xué)生命學(xué)院2020級(jí)博士研究生王博宇、博士后張紅紅以及中國(guó)科學(xué)院植物研究所副研究員淮俊玲為本文共同第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)院助理教授方曉峰和中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員林榮呈為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-022-01196-z
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
