應激顆粒（Stress Granule，SG）是在細胞受到外界環境刺激的情況下，由RNA和蛋白通過液液相分離(Liquid-Liquid Phase Separation，LLPS)形成的顆粒狀生物大分子凝聚物（Biomolecular condensates）。在真核生物中，SG的形成與解聚是一個高度動态變化的過程，其動态平衡通過對細胞内蛋白質翻譯和RNA的調控來促進應激後細胞功能的恢複。近年來研究發現，SG穩态異常或者形成不可逆的纖維狀結構可能是肌萎縮性側索硬化症等神經退行性疾病發生的關鍵因素，但是到目前為止植物中沒有發現不可逆SG形成。這表明植物可能具備更有效的策略，來防止蛋白的聚集，從而維持SG的可逆調控。然而，植物中SG的動态和穩态調控分子機制，及其與植物脅迫适應性間的關系尚不清楚。

2024年8月21日，beat365官方网站、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、生命科學聯合中心王偉課題組，在《Molecular Cell》期刊在線發表題為“Proteasome resides in and dismantles plant heat stress granules constitutively”的研究論文，報道了蛋白酶體在SG中活性增強并協助SG解聚，提高植物抗高溫能力的新機制。該研究為動植物SG穩态調控和細胞逆境脅迫響應提供全新的研究方向。

本研究通過poly(A)+RNA原位雜交和SG标記蛋白（RBP47B、PAB2和UBP1C）的動态追蹤，發現熱脅迫溫度的升高比熱脅迫持續時間的延長更顯著地影響SG的形成和解聚。不同SG标記蛋白的流動性雖有差别，但是溫度上升均顯著抑制這些标記蛋白的流動性，并表現出相同的SG形成和解聚變化趨勢。

為了尋找調控SG穩态的關鍵因子，作者對具有較高流動性的SG進行富集，通過AP-MS和IP-MS的蛋白組學聯合分析，以及體内外共定位實驗證明蛋白酶體是SG的穩定組成成分。随後作者對SG中蛋白酶體的功能進行研究，通過對SG形成動态和該結構中蛋白酶體活性進行追蹤，發現蛋白酶體的組分是在SG形成後逐漸被招募，并組裝成具有更高蛋白酶催化活性的蛋白酶體複合體（圖1）。然而SG中的蛋白酶體并不影響RBP47B蛋白的分子流動性，該結果表明SG整體動态與其标記蛋白的分子流動性不具備必然的偶聯關系，澄清了在前人研究中使用SG标記蛋白的分子動态性表征SG整體動态性的誤區。

圖1：SG中蛋白酶體的活性

由于蛋白酶體介導的泛素化修飾蛋白降解途徑（Ubiquitin-Proteasome System，UPS）是維持細胞内蛋白平衡的重要方式。作者對SG中總蛋白和RBP47B蛋白的泛素化修飾進行檢測，發現雖然UPS在SG形成和解聚的過程中均有作用，但是該系統的主要功能為促進SG的解聚，而不是SG形成。最後作者對蛋白酶體亞基進行突變體篩選，鑒定出一個α亞基pad1突變體，該基因突變并不影響拟南芥在正常條件下的蛋白酶體活性和植株生長，但嚴重影響植物在高溫條件下的蛋白酶體活性，使得突變體表現出較慢的SG解聚速度和對高溫敏感的生長表型。基于以上結果，作者建立起蛋白酶體調控SG形成和解聚，提高植物抗高溫能力的分子模型（圖2）。

圖2：蛋白酶體促進SG解聚提高植物耐高溫能力

劇烈的高溫往往導緻錯誤折疊或者變性失活蛋白的聚集體（Protein aggregation），這些聚集體通過UPS被清除。然而SG與這些聚集體有着本質上的區别：SG具有較強流動性，使其形成和解聚可以快速相互轉換，從而維持蛋白和RNA的平衡和功能。本研究通過探究蛋白酶體進入SG、組裝、酶活，以及對底物水解能力，闡明蛋白酶體可被招募進入SG，維持SG内的蛋白平衡、調控其穩态，提高植物耐高溫的重要生物學意義。近兩年王偉課題組的工作（Nature Plants，2023；Molecular Cell，2024）深入解析了植物SG的功能和生物學意義，其涉及的技術和方法為該研究領域提供了指導。

beat365官方网站、生命科學聯合中心王偉研究員為論文通訊作者。北京大學海外交流引進博士後謝周麗（已出站，現就職于華中農業大學）和博士後趙帥（已出站，現就職于首都師範大學）為該論文的共同第一作者。首都師範大學周冕研究組、安徽農業大學吳承雲研究組和華中農業大學吳洪洪研究組也參與了本研究。本研究得到蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、beat365官方网站、生命科學聯合中心、北京市科技新星計劃和海外交流引進博士後項目的資助。

原文鍊接：https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00631-2

參考文獻：

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.