研究揭示RNA结合蛋白相分离在植物热胁迫应答中重要作用

　　2022年2月28日，Developmental Cell在线发表了中科院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心刘聪课题组与中科院分子植物科学卓越创新中心植物逆境生物学研究中心张蘅课题组合作的题为“Liquid-liquid phase separation of RBGD2/4 is required for heat stress resistance in Arabidopsis”的研究论文，揭示了两个保守的RNA结合蛋白质RBGD2 (RNA-binding glycine-rich group D 2)和RBGD4通过独特的酪氨酸阵列（Tyr residue array, TRA）形式诱导蛋白液-液相分离（LLPS，liquid-liquid phase separation），进而达到增强拟南芥耐热性的生理功能。有趣的是，拟南芥RBGD2/4的人类同源蛋白为刘聪课题组长期研究的hnRNPA1蛋白，hnRNPA1的液-固相转化与渐冻人症的发生密切相关。因此，来自不同物种的同一家族蛋白可展现出截然不同的相分离/相变属性和能力，并对应不同的生理功能以及病理毒性。这体现了蛋白相分离/相变的高度复杂性与多样性，以及在不同物种中执行的不同功能活性。

　　高温是造成农作物减产的主要逆境之一；随着全球气候变暖，极端高温天气更加频繁，热胁迫对植物生长和作物产量的影响愈发显著。作为固着生物，植物进化出了复杂的信号网络来感知环境温度的变化，并可以通过多种途径应答热胁迫。例如，在转录水平上，热激转录因子HSFA1等可以通过调控众多热响应基因的表达来提高耐热性。热胁迫还能诱导植物产生应激颗粒（stress granule）。应激颗粒是真核细胞应答各种胁迫的一种保守机制，主要由翻译停滞的信使核糖核蛋白（mRNP）组成，此前的研究表明蛋白质的液液相分离在应激颗粒形成中起重要作用，但蛋白质相分离与植物耐热性之间的直接联系尚未有报道。

　　图1：rbgd2/4不耐热表型和热处理诱导RBGD2/4在体内和体外形成颗粒结构

　　A. rbgd2/4突变体对热更敏感。B. RBGD2/4应答热胁迫时在细胞内形成颗粒状结构。C. 体外纯化的RBGD2/4蛋白在加热条件下形成小液滴。

　　研究人员发现RBGD2或RBGD4突变后降低了拟南芥热胁迫后的存活率。正常条件下，RBGD2/4蛋白质弥散的分布于细胞质和细胞核内；热处理后，RBGD2/4在细胞内形成动态的颗粒状结构。纯化的RBGD2/4蛋白质可在体外受温度或溶液环境诱导产生液液相分离，形成动态的液滴状结构。研究人员进一步发现RBGD2/4低复杂度结构域（LCD，low-complexity domain）中酪氨酸阵列（Tyr residue array, TRA）是驱动RBGD2/4液-液相分离的关键。突变TRA中一半或是全部酪氨酸导致RBGD2/4的体外相分离能力显著降低或缺失，植物细胞内热胁迫诱导产生RBGD2/4颗粒的数目显著降低或消失，并且转基因植物表现出与rbgd2突变体相似的不耐热表型。研究人员发现正常条件下，RBGD2/4蛋白质就与很多应激颗粒组分（如PAB2/4/8）存在相互作用，而热处理显著增加了RBGD2/4结合的蛋白质和信使RNA（mRNA）的数量，其中包括多个热响应转录本（如HSFA2，HSP70等）。

　　综上，该论文揭示了两个新的应激颗粒蛋白质组分RBGD2/4可以通过其TRA响应热胁迫发生液-液相分离，来参与植物热胁迫应答，并建立了RNA结合蛋白的相分离和其热抵抗功能的直接关系（图2），这为探索应植物激颗粒的生物学功能提供了新的研究对象，同时也为提高农作物的耐热性提供了新的思路。

　　图2：RBGD2/4可能通过相分离招募特定转录本到应激颗粒中来提高植物耐热性

　　中科院分子植物卓越中心的在读博士生朱绍波和中科院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心的谷锦阁博士为论文的共同第一作者，刘聪研究员与张蘅研究员为共同通讯作者，该研究得到了中科院战略先导专项，国家重点研发计划以及国家自然科学基金委，上海市科委等项目的资助。