2024年11月1日，南方科技大學生命科學學院講席教授郭紅衛課題組在頂級學術期刊Science發表題為“A cytoplasmic osmosensing mechanism mediated by molecular crowding-sensitive DCP5”的研究論文，揭示了植物細胞質中由大分子擁擠敏感蛋白DCP5介導的滲透脅迫感知與適應的新機制。
位於細胞膜內外的水分子因膜兩側存在滲透壓梯度而自發遷移的現象被稱為滲透作用。細胞伴水而生，因此，經常面臨細胞內外滲透壓不平衡的挑戰，即滲透脅迫。為了維持自身形態和適宜的含水量，細胞必須具備感知並適應各種環境滲透脅迫的能力。這些能力對於根細胞等直接暴露於自然環境中的植物細胞來說尤為重要，因為固著生活的植物經常面臨由乾旱、洪澇、高鹽和極端溫度等導致的滲透脅迫，並缺乏類似動物由皮膚、外骨骼及內環境等構成的滲透保護屏障。據統計，全球每年因各種與滲透脅迫相伴而生的自然災害所造成的農作物損失超過總產量的一半。因此，深刻理解植物細胞感知和適應環境滲透脅迫的分子機制具有極其重要的理論價值和現實意義。
當細胞暴露於滲透脅迫環境中時，其體積由於水分快速進出細胞而發生明顯變化。體積變化進而引發一系列可被細胞感知的物理化學訊號。例如，細胞膜上因體積變化導致的張力變化可以透過啟用跨膜的機械力敏感型離子通道（包括PIEZO, OSCA/TMEM63及MSL家族成員）介導快速的鈣離子內流，從而觸發細胞內部的滲透訊號轉導及適應反應。這一途徑一度被認為是細胞感受滲透脅迫的唯一機制。然而，體積變化帶來的影響並不僅限於膜張力的改變，如高滲脅迫導致的細胞收縮就能顯著地增加細胞內部大分子的擁擠程度。因此，滲透脅迫感知能否在細胞的其他位置透過機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制實現，已成為一個有待回答且非常有趣的科學問題。
郭紅衛團隊在研究擬南芥RNA降解相關蛋白的過程中，意外觀察到原本均勻分散在細胞質中的Decapping 5 (DCP5) 蛋白會在植物暴露於高滲脅迫後迅速發生凝聚，形成大量類似於液滴的凝聚體。該凝聚現象與細胞體積因失水而縮小的趨勢高度相關，當細胞體積重新恢復或高滲脅迫撤去之後，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 凝聚體的液體性質暗示該凝聚現象很可能由蛋白質的液液相分離 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 所介導。研究人員透過相關實驗證實，DCP5的確具有相分離的能力，可在體內及體外的大分子擁擠環境中發生相分離。這初步解釋了DCP5能夠透過凝聚響應高滲脅迫的原因。
圖1 滲透脅迫誘導DCP5發生迅速可逆的凝聚
接下來，研究人員繼續研究 DCP5 蛋白感知分子擁擠併發生相分離的分子機制。研究表明，DCP5 的相分離與其分子內部的一段固有無序區 (intrinsically disordered region, IDR) 高度相關。當該區域被刪除後，DCP5 的凝聚現象完全消失。進一步研究表明，該 IDR 區域能透過構象變化感知細胞內部分子擁擠程度的改變。有趣的是，該 IDR 區域僅存在於陸地植物及其近親的 DCP5 同源蛋白中，這也與來自酵母、低等藻類及動物的 DCP5 同源蛋白不具備響應滲透脅迫併發生相分離的觀察結果一致。更重要的是，陸地植物 DCP5 的 IDR 區域富含疏水性側鏈氨基酸，這些氨基酸則能透過多價疏水作用介導 DCP5 發生相分離。這些結果充分說明，陸地植物 DCP5 透過由 IDR 構成的分子內擁擠感受器 (intramolecular crowding sensor, ICS) 實現對滲透脅迫的感知並引發相分離。同時，也暗示類似於 DCP5 ICS 形成這樣的分子進化事件很可能在陸地植物祖先適應乾燥的陸生環境過程中發揮重要作用。
成分分析研究表明，DCP5 凝聚體富含 RNA 結合蛋白以及翻譯起始因子，並可透過 DCP5 與多聚腺苷酸結合蛋白 PAB 的互作招募大量 mRNA，組成上符合應激顆粒 (stress granule, SG) 的特徵，因此被命名為 “DCP5-enriched osmotic stress granule (DOSG)”。伴隨著對 mRNA 和翻譯起始因子的招募，以及 DCP5 自身所具有的翻譯調控功能，DOSG 的裝配顯著地改變了眾多植物基因的翻譯效率。同時，由於部分轉錄因子及核質轉運蛋白也會被 DOSG 招募，植物轉錄組也會因此受到影響。當 DCP5 缺失後，植物表現出滲透脅迫敏感的表型，且無法被缺失 ICS 的 DCP5 突變蛋白（無法形成DOSG）完全回補。這些結果說明透過相分離和 DOSG 裝配，DCP5 在感知滲透脅迫的同時，也直接介導了翻譯和轉錄水平上的脅迫應答，使植物能夠迅速適應脅迫環境。
圖2 DCP5介導的滲透脅迫感知與適應機制示意圖
綜上所述，團隊在該研究中發現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)，透過相分離介導一個細胞質中滲透脅迫感知與適應的全新機制。該機制的發現證實了細胞滲透壓感知可在細胞內部非膜結構實現的猜想。與經典的由訊號轉導過程實現的滲透脅迫應答途徑不同，DCP5 在感知滲透脅迫的同時直接實現了脅迫應答，無需額外的信使分子參與，因而更具時效性。而由 DOSG 裝配引發的翻譯調控也代表了植物滲透脅迫適應過程中的一個新層次。此外，該研究也為蛋白無序區作為胞內環境理化性質感受器的觀點提供了重要的實驗證據。
南方科技大學為論文第一單位。南方科技大學研究助理教授王振宇為論文第一作者，郭紅衛為論文通訊作者。南方科技大學博士研究生楊秋華、研究助理張丹、碩士研究生盧遠怡、高階工程師王益川、博士後潘亞婕、博士後裘喻平、研究助理教授嚴維、研究學者肖志娜、碩士研究生孫瑞雪、研究副教授李文陽、副教授黃鴻達以及中國科學院深圳先進技術研究所研究員門湧帆均為該項研究做出了重要貢獻。該工作獲得了國家自然科學基金專案、科技部重點研發計劃專案、深圳市重點實驗室組建專案、深圳市高層次人才團隊專案、中國農業科學院深圳農業基因組研究所嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心自主立項科研專案及新基石研究員專案的支援。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9067
來源：南方科技大學
