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2024年11月1日，南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫课题组在顶级学术期刊 Science 发表题为“A cytoplasmic osmosensing mechanism mediated by molecular crowding-sensitive DCP5”的研究论文，揭示了植物细胞质中由大分子拥挤敏感蛋白 DCP5 介导的渗透胁迫感知与适应的新机制。
水分子会根据细胞膜两侧的渗透压差异自发移动，这种现象称为渗透作用。细胞依赖水生存，所以常遇到细胞内外渗透压不平衡的问题，即渗透压力。为保持形态稳定和适当的水分含量，细胞需要有能力感知并应对各种外部环境引起的渗透压力变化。对于直接接触外界环境的植物根部细胞而言，这种能力尤其关键，因为固定生长的植物频繁遭遇由缺水、洪水、盐分过高或极端温度等因素引起的渗透压力，并没有像动物那样的皮肤或外壳来提供渗透保护。统计显示，全球每年因与渗透压力相关的自然灾害导致的农作物减产超过了总量的一半。因此，深入研究植物细胞如何感知和应对环境渗透压力的分子机制，无论是在理论上还是实践中都具有重大意义。 当细胞处于渗透压力之下时，由于水分快速进出细胞，其体积会发生显著变化，这种变化会产生一系列物理化学信号，被细胞感知。比如，细胞膜因体积变化产生的张力可以激活机械敏感离子通道（如PIEZO、OSCA/TMEM63和MSL家族成员），导致钙离子迅速内流，启动细胞内的渗透信号传导和适应反应。这一路径曾被认为是细胞感知渗透压力的唯一方式。不过，体积变化的影响不仅限于膜张力的变化，高渗透压导致的细胞收缩还会增加细胞内部大分子的密集度。因此，是否可以在细胞的其他部位通过不同于膜张力感知的方式感知渗透压力，成为了一个亟待解决且极具吸引力的科学问题。 郭红卫的研究团队在研究拟南芥中RNA降解相关蛋白的过程中，偶然发现一种名为Decapping 5 (DCP5)的蛋白，在植物遭受高渗透压时，原本均匀分布于细胞质中的DCP5蛋白会迅速聚集，形成类似液滴的聚集物。这种聚集现象与细胞因脱水而缩小密切相关，一旦细胞体积恢复或高渗透压解除，这些聚集物就会逐渐分散消失。DCP5蛋白的这种快速、可逆的聚集特性及其形成的液态性质表明，这种聚集可能是由蛋白质的液-液相分离（LLPS）驱动的。研究证实，DCP5确实能在高分子密度环境下进行相分离，这初步解释了它如何响应高渗透压。
进一步探索发现，DCP5的相分离与其内部的一个固有无序区域（IDR）紧密关联。当这个区域被移除时，DCP5的聚集现象就消失了。研究还揭示，IDR能通过构象调整来感知细胞内部大分子密集度的变化。值得注意的是，只有陆地植物及其亲缘物种中的DCP5同源蛋白含有这个IDR，而酵母、低等藻类和动物中的相应蛋白则不具备这一特性。此外，IDR富含疏水侧链氨基酸，这些氨基酸通过多价疏水相互作用促进DCP5的相分离。这些发现表明，陆地植物利用IDR构建的分子内拥挤传感器（ICS）来感知渗透压力并启动相分离。这可能意味着，像DCP5 ICS的形成这样的分子进化事件，在陆地植物祖先适应陆地生活的过程中发挥了重要作用。
总之，该研究揭示了一种新的细胞质中感知和适应渗透压力的机制，其中分子拥挤敏感蛋白DCP5作为多功能的植物渗透感受器，通过相分离发挥作用。这项发现不仅证实了细胞内部非膜结构也能感知渗透压的假设，而且DCP5在感知渗透压力的同时直接执行压力响应，比传统信号传导途径更高效。DOSG的形成也标志着植物渗透压力适应过程中一个新的调控层级。此外，这项工作还为蛋白质无序区作为细胞内环境条件感应器的概念提供了有力证据。 南方科技大学为论文第一单位。南方科技大学研究助理教授王振宇为论文第一作者，郭红卫为论文通讯作者。南方科技大学博士研究生杨秋华、研究助理张丹、硕士研究生卢远怡、高级工程师王益川、博士后潘亚婕、博士后裘喻平、研究助理教授严维、研究学者肖志娜、硕士研究生孙瑞雪、研究副教授李文阳、副教授黄鸿达以及中国科学院深圳先进技术研究所研究员门涌帆均为该项研究做出了重要贡献。该工作获得了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划项目、深圳市重点实验室组建项目、深圳市高层次人才团队项目、中国农业科学院深圳农业基因组研究所岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心自主立项科研项目及新基石研究员项目的支持。 |
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