近日，Developmental Cell在線發(fā)表了中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰課題組與中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心植物逆境生物學(xué)研究中心張蘅課題組合作的題為“Liquid-liquid phase separation of RBGD2/4 is required for heat stress resistance in Arabidopsis”的研究論文，揭示了兩個(gè)保守的RNA結(jié)合蛋白質(zhì)RBGD2 (RNA-binding glycine-rich group D 2)和RBGD4通過獨(dú)特的酪氨酸陣列（Tyr residue array, TRA）形式誘導(dǎo)蛋白液-液相分離（LLPS，liquid-liquid phase separation），進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)擬南芥耐熱性的生理功能。有趣的是，擬南芥RBGD2/4的人類同源蛋白為劉聰課題組長(zhǎng)期研究的hnRNPA1蛋白，hnRNPA1的液-固相轉(zhuǎn)化與漸凍人癥的發(fā)生密切相關(guān)。因此，來自不同物種的同一家族蛋白可展現(xiàn)出截然不同的相分離/相變屬性和能力，并對(duì)應(yīng)不同的生理功能以及病理毒性。這體現(xiàn)了蛋白相分離/相變的高度復(fù)雜性與多樣性，以及在不同物種中執(zhí)行的不同功能活性。
高溫是造成農(nóng)作物減產(chǎn)的主要逆境之一；隨著全球氣候變暖，極端高溫天氣更加頻繁，熱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的影響愈發(fā)顯著。作為固著生物，植物進(jìn)化出了復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境溫度的變化，并可以通過多種途徑應(yīng)答熱脅迫。例如，在轉(zhuǎn)錄水平上，熱激轉(zhuǎn)錄因子HSFA1等可以通過調(diào)控眾多熱響應(yīng)基因的表達(dá)來提高耐熱性。熱脅迫還能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生應(yīng)激顆粒（stress granule）。應(yīng)激顆粒是真核細(xì)胞應(yīng)答各種脅迫的一種保守機(jī)制，主要由翻譯停滯的信使核糖核蛋白（mRNP）組成，此前的研究表明蛋白質(zhì)的液液相分離在應(yīng)激顆粒形成中起重要作用，但蛋白質(zhì)相分離與植物耐熱性之間的直接聯(lián)系尚未有報(bào)道。
圖1 rbgd2/4不耐熱表型和熱處理誘導(dǎo)RBGD2/4在體內(nèi)和體外形成顆粒結(jié)構(gòu)
A. rbgd2/4突變體對(duì)熱更敏感；B. RBGD2/4應(yīng)答熱脅迫時(shí)在細(xì)胞內(nèi)形成顆粒狀結(jié)構(gòu)；C. 體外純化的RBGD2/4蛋白在加熱條件下形成小液滴
研究人員發(fā)現(xiàn)RBGD2或RBGD4突變后降低了擬南芥熱脅迫后的存活率。正常條件下，RBGD2/4蛋白質(zhì)彌散的分布于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)；熱處理后，RBGD2/4在細(xì)胞內(nèi)形成動(dòng)態(tài)的顆粒狀結(jié)構(gòu)。純化的RBGD2/4蛋白質(zhì)可在體外受溫度或溶液環(huán)境誘導(dǎo)產(chǎn)生液液相分離，形成動(dòng)態(tài)的液滴狀結(jié)構(gòu)。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)RBGD2/4低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)域（LCD，low-complexity domain）中酪氨酸陣列（Tyr residue array, TRA）是驅(qū)動(dòng)RBGD2/4液-液相分離的關(guān)鍵。突變TRA中一半或是全部酪氨酸導(dǎo)致RBGD2/4的體外相分離能力顯著降低或缺失，植物細(xì)胞內(nèi)熱脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生RBGD2/4顆粒的數(shù)目顯著降低或消失，并且轉(zhuǎn)基因植物表現(xiàn)出與rbgd2突變體相似的不耐熱表型。研究人員發(fā)現(xiàn)正常條件下，RBGD2/4蛋白質(zhì)就與很多應(yīng)激顆粒組分（如PAB2/4/8）存在相互作用，而熱處理顯著增加了RBGD2/4結(jié)合的蛋白質(zhì)和信使RNA（mRNA）的數(shù)量，其中包括多個(gè)熱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄本（如HSFA2，HSP70等）。
綜上，該論文揭示了兩個(gè)新的應(yīng)激顆粒蛋白質(zhì)組分RBGD2/4可以通過其TRA響應(yīng)熱脅迫發(fā)生液-液相分離，來參與植物熱脅迫應(yīng)答，并建立了RNA結(jié)合蛋白的相分離和其熱抵抗功能的直接關(guān)系（圖2），這為探索應(yīng)植物激顆粒的生物學(xué)功能提供了新的研究對(duì)象，同時(shí)也為提高農(nóng)作物的耐熱性提供了新的思路。
圖2 RBGD2/4可能通過相分離招募特定轉(zhuǎn)錄本到應(yīng)激顆粒中來提高植物耐熱性
中科院分子植物卓越中心的在讀博士生朱紹波和中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心的谷錦閣博士為論文的共同第一作者，劉聰研究員與張蘅研究員為共同通訊作者，該研究得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及國(guó)家自然科學(xué)基金委，上海市科委等項(xiàng)目的資助。
