張蘅研究組合作揭示RNA結合蛋白相分離在植物熱脅迫應答中的重要作用

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                                              • 來源:中國生物技術網

                                              2022年2月28日,Developmental Cell在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物逆境生物學研究中心植物分子遺傳國家重點實驗室張蘅研究組與中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心劉聰研究組合作的題為“Liquid-liquid phase separation of RBGD2/4 is required for heat stress resistance in Arabidopsis”的研究論文,揭示了兩個保守的RNA結合蛋白質RBGD2 (RNA-binding glycine-rich group D 2)和RBGD4通過獨特的酪氨酸陣列(Tyr residue array, TRA)形式誘導蛋白液-液相分離(LLPS,liquid-liquid phase separation),進而達到增強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研究組長期研究的hnRNPA1蛋白,hnRNPA1的液-固相轉化與漸凍人癥的發生密切相關。因此,來自不同物種的同一家族蛋白可展現出截然不同的相分離/相變屬性和能力,并對應不同的生理功能以及病理毒性。這體現了蛋白相分離/相變的高度復雜性與多樣性,以及在不同物種中執行的不同功能活性。

                                              高溫是造成農作物減產的主要逆境之一。隨著全球氣候變暖,極端高溫天氣更加頻繁,熱脅迫對植物生長和作物產量的影響愈發顯著。作為固著生物,植物進化出了復雜的信號網絡來感知環境溫度的變化,并可以通過多種途徑應答熱脅迫。例如,在轉錄水平上,熱激轉錄因子HSFA1等可以通過調控眾多熱響應基因的表達來提高耐熱性。熱脅迫還能誘導植物產生應激顆粒(stress granule)。應激顆粒是真核細胞應答各種脅迫的一種保守機制,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的液液相分離在應激顆粒形成中起重要作用,但蛋白質相分離與植物耐熱性之間的直接聯系尚未有報道。

                                              圖1:rbgd2/4不耐熱表型和熱處理誘導RBGD2/4在體內和體外形成顆粒結構A. rbgd2/4突變體對熱更敏感。B. RBGD2/4應答熱脅迫時在細胞內形成顆粒狀結構。C. 體外純化的RBGD2/4蛋白在加熱條件下形成小液滴。

                                              研究人員發現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蛋白質彌散的分布于細胞質和細胞核內;熱處理后,RBGD2/4在細胞內形成動態的顆粒狀結構。純化的RBGD2/4蛋白質可在體外受溫度或溶液環境誘導產生液液相分離,形成動態的液滴狀結構。研究人員進一步發現RBGD2/4低復雜度結構域(LCD,low-complexity domain)中酪氨酸陣列(Tyr residue array, TRA)是驅動RBGD2/4液-液相分離的關鍵。突變TRA中一半或是全部酪氨酸導致RBGD2/4的體外相分離能力顯著降低或缺失,植物細胞內熱脅迫誘導產生RBGD2/4顆粒的數目顯著降低或消失,并且轉基因植物表現出與rbgd2突變體相似的不耐熱表型。研究人員發現正常條件下,RBGD2/4蛋白質就與很多應激顆粒組分(如PAB2/4/8)存在相互作用,而熱處理顯著增加了RBGD2/4結合的蛋白質和信使RNA(mRNA)的數量,其中包括多個熱響應轉錄本(如HSFA2,HSP70等)。綜上,該論文揭示了兩個新的應激顆粒蛋白質組分RBGD2/4可以通過其TRA響應熱脅迫發生液-液相分離,來參與植物熱脅迫應答,并建立了RNA結合蛋白的相分離和其熱抵抗功能的直接關系(圖2),這為探索應植物激顆粒的生物學功能提供了新的研究對象,同時也為提高農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錄本到應激顆粒中來提高植物耐熱性

                                              中科院分子植物科學卓越創新中心在讀博士生朱紹波和中科院生物與化學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先導專項,國家重點研發計劃以及國家自然科學基金委,上海市科委等項目的資助。

                                              論文鏈接:

                                              https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1534580722000715

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