研究揭示蛋白酶體調控無膜細胞器蛋白穩態新功能

近日，北京大學生命科學學院研究員王偉團隊，創新性發現植物蛋白酶體調控應激顆粒蛋白穩態抵御高溫的新機制。相關成果發表于《分子細胞》。

應激顆粒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（LLPS）形成的無膜細胞器。王偉在接受《中國科學報》采訪時表示，應激顆粒的形成與解聚是一個高度動態變化的過程，其動態平衡通過對細胞內蛋白質翻譯和RNA的調控來促進應激后細胞功能的恢復。應激顆粒穩態異常或者形成不可逆的纖維狀結構，是導致哺乳動物中神經退行性疾病發生的關鍵因素。然而，在植物細胞中，到目前為止沒有發現不可逆應激顆粒的形成。這表明植物可能具備更有效的策略，來防止蛋白的聚集，從而維持應激顆粒的可逆調控。

王偉團隊針對植物中應激顆粒穩態的特殊性展開研究，通過挑選具有較高流動性的應激顆粒，結合蛋白組學及細胞生物學研究手段，發現蛋白酶體是應激顆粒的穩定成分。蛋白酶體通常是用于清除錯誤折疊、失活蛋白，維持細胞內蛋白平衡的重要結構。劇烈的高溫往往導致錯誤折疊或者變性失活蛋白的聚集體，這些聚集體可通過蛋白酶體被清除。然而，應激顆粒與這些聚集體有著本質區別：應激顆粒具有較強流動性，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。蛋白酶體是否在應激顆粒中具有生化功能是動植物應激顆粒穩態研究領域亟待解決的關鍵問題。

隨后研究團隊對蛋白酶體進入應激顆粒、組裝、酶活，以及對底物水解能力進行研究，揭示了蛋白酶體調控應激顆粒穩態的新機制和生物學意義：1）蛋白酶體可被招募進入應激顆粒；2）蛋白酶體在應激顆粒中具有較高酶活，維持應激顆粒內的蛋白平衡；3）應激顆粒整體動態與其標志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應激顆粒標志蛋白的分子動態性表征應激顆粒整體動態性的誤區；4）蛋白酶體主要通過促進植物高溫脅迫后應激顆粒解聚提高植物的耐高溫能力。

該研究揭示了蛋白酶體在應激顆粒中的新功能，為動植物應激顆粒穩態調控和細胞逆境脅迫響應提供了全新的研究方向。

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、北京大學生命科學學院、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后項目的資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.07.033