8月21日，我校植物科学技术学院、湖北洪山实验室谢周丽副教授联合北京大学生命科学学院、生命科学联合中心王伟研究员在国际期刊Molecular Cell上在线发表了题为“Proteasome resides in and dismantles plant heat stress granules constitutively”的研究论文。该研究报道了蛋白酶体在应激颗粒（Stress Granule，SG）中活性增强并协助SG解聚，提高植物抗高温能力的新机制，为动植物SG稳态调控和细胞逆境胁迫响应提供新的研究方向。
SG是在细胞受到外界环境刺激的情况下，由RNA和蛋白通过液液相分离(Liquid-Liquid Phase Separation，LLPS)形成的颗粒状生物大分子凝聚物（Biomolecular condensates）[1]。在真核生物中，SG的形成与解聚是一个高度动态变化的过程，其动态平衡通过对细胞内蛋白质翻译和RNA的调控来促进应激后细胞功能的恢复[2, 3]。近年来研究发现，SG稳态异常或者形成不可逆的纤维状结构可能是肌萎缩性侧索硬化症等神经退行性疾病发生的关键因素[4]，但是到目前为止植物中没有发现不可逆SG形成。这表明植物可能具备更有效的策略，来防止蛋白的聚集，从而维持SG的可逆调控。然而，植物中SG的动态和稳态调控分子机制，及其与植物胁迫适应性间的关系尚不清楚。
该研究通过poly(A)+RNA原位杂交和SG标记蛋白（RBP47B、PAB2和UBP1C）的动态追踪，发现热胁迫温度的升高比热胁迫持续时间的延长更显著地影响SG的形成和解聚。虽然不同SG标记蛋白的流动性有差别，但是温度上升均显著抑制这些标记蛋白的流动性，并表现出相同的SG形成和解聚变化趋势。这些结果表明剧烈的高温会导致应激蛋白的固化，使得应激颗粒更加趋向形成蛋白聚集体（Protein aggregation）。然而SG与这些聚集体有着本质上的区别：SG具有较强流动性，使其形成和解聚可以快速相互转换，从而维持蛋白和RNA的平衡和功能。
为进一步寻找调控SG稳态的关键因子，研究人员对具有较高流动性的SG进行富集，通过AP-MS和IP-MS的蛋白组学联合分析，以及体内外共定位实验证明蛋白酶体是SG的稳定组成成分。酵母和哺乳动物中SG的稳态研究表明，SG的稳态受到如泛素化修饰，以及泛素-蛋白酶体途径（Ubiquitin-Proteasome System，UPS），但是蛋白酶体在此过程中如何起作用仍有待解析。该研究通过对SG形成动态和该结构中蛋白酶体活性进行追踪发现，蛋白酶体的组分是在SG形成后逐渐被招募，并组装成具有更高蛋白酶催化活性的蛋白酶体复合体。然而SG中的蛋白酶体并不影响RBP47B蛋白的分子流动性，表明SG整体动态与其标记蛋白的分子流动性不具备必然的偶联关系，澄清了前人在研究中使用SG标记蛋白的分子动态性表征SG整体动态性的误区。
由于蛋白酶体介导的泛素化修饰蛋白降解途径（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）是维持细胞内蛋白平衡的重要方式。SG中总蛋白和RBP47B蛋白的泛素化修饰检测发现，虽然UPS在SG形成和解聚的过程中均有作用，但是该系统的主要功能为促进SG的解聚，而不是SG形成。研究最后通过对蛋白酶体亚基突变体筛选，鉴定出一个α亚基pad1突变体，该基因突变并不影响拟南芥在正常条件下的蛋白酶体活性和植株生长，但严重影响植物在高温条件下的蛋白酶体活性，使得突变体表现出较慢的SG解聚速度和对高温敏感的生长表型。这些研究结果从遗传学角度揭示蛋白酶体调控SG形成和解聚，提高植物抗高温能力的生物学意义。
蛋白酶体促进SG解聚提高植物耐高温能力
综上，该研究通过探究蛋白酶体进入SG、组装、酶活，以及对底物水解能力，阐明蛋白酶体可被招募进入SG，维持SG内的蛋白平衡、调控其稳态，提高植物耐高温的重要生物学意义。近两年谢周丽副教授的工作（Nature Plants，2023；Molecular Cell，2024）深入解析了植物SG的功能和生物学意义，其涉及的技术和方法为该研究领域提供了指导。
华中农业大学植物科学技术学院、湖北洪山实验室谢周丽副教授为该论文第一作者。北京大学生命科学学院、生命科学联合中心王伟研究员为论文通讯作者。华中农业大学植物科学技术学院，洪山实验室固定研究人员吴洪洪教授参与了本研究。谢周丽副教授于2018年获得美国爱荷华州立大学（Iowa State University）博士学位，之后在北京大学生命科学学院王伟研究员课题组进行博士后研究，2023年11月入职华中农业大学和湖北洪山实验室，加入植物纳米生物学吴洪洪教授课题组，开展纳米生物学调控作物逆境胁迫机制研究。以第一作者在Molecular Cell、Nature Plants、The Plant Cell等杂志发表论文。
原文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00631-2
【参考文献】
1.Protter, D.S. and R. Parker, Principles and Properties of Stress Granules. Trends Cell Biol, 2016.26(9): p. 668-79.
2.Wheeler, J.R., T. Matheny, S. Jain, R. Abrisch, and R. Parker, Distinct stages in stress granule assembly and disassembly. eLife, 2016.5: p. e18413.
3.Youn, J.Y., B.J.A. Dyakov, J. Zhang, J.D.R. Knight, R.M. Vernon, J.D. Forman-Kay, and A.C. Gingras, Properties of Stress Granule and P-Body Proteomes. Mol Cell, 2019.76(2): p. 286-294.
4.Wang, F., J. Li, S. Fan, Z. Jin, and C. Huang, Targeting stress granules: A novel therapeutic strategy for human diseases. Pharmacological Research, 2020.161: p. 105143.
