高温胁迫严重影响植物的生长发育，通常会导致农作物减产1。植物具有复杂的调控网络响应高温胁迫。为了降低高温胁迫带来的损伤，热休克因子（heat shock factors，HSFs）发挥着非常重要的作用。HSFs的表达和活性的精密调控至关重要。
应激颗粒（stress granules）和加工小体（processing bodies）是存在于多种生物体中的高度动态的细胞质凝聚体。在正常生长状况下，即能检测到加工小体的存在；当植物体受到胁迫时，加工小体增大2,3；应激颗粒仅在植物受到胁迫时形成4,5。进入到加工小体中的mRNAs通常被降解，但也有部分mRNAs被稳定下来。应激颗粒是翻译不活跃的mRNAs分选至降解或储存保护的重要场所。目前，加工小体和应激颗粒调控植物生长发育等过程的分子生物学机制尚不清楚。
2022年7月11日，北京大学现代农学院钱伟强课题组在Nature Plants上发表了题为“ALBA proteins confer thermotolerance through stabilizing HSF mRNAs in cytoplasmic granules”的研究论文。该工作揭示了一种全新的HSF mRNAs调控机制，以及植物ALBA (Acetylation lowers binding affinity) 蛋白的重要功能：HSF mRNAs在应激颗粒和加工小体中被ALBA蛋白稳定，进而参与植物耐热。
https://doi.org/10.1038/s41477-022-01175-1
研究者发现正常条件下，ALBA4、ALBA5和ALBA6蛋白弥散的分布于细胞质；热处理后，ALBA蛋白在细胞质形成动态的颗粒状结构。翻译延伸抑制剂CHX处理能够抑制颗粒状结构的形成（图1a）。原位杂交实验表明，高温条件下ALBA蛋白所形成的颗粒状结构富含具ploy（A）尾mRNAs（图1b-c）。热胁迫时ALBA4、ALBA5和ALBA6蛋白两两共定位（图1d）。共定位实验表明，无论是正常条件还是高温条件下，ALBA蛋白与应激颗粒标志蛋白Rbp47b和PAB2都共定位（图1e-f）。加工小体标记蛋白DCP1、DCP2和DCP5在正常生长状况下能够在细胞质形成大量细小的颗粒状结构，受到热胁迫后，颗粒状结构增大，ALBA蛋白与DCP1、DCP2和DCP5部分共定位（图1g-i）。上述研究结果表明，ALBA蛋白所形成的颗粒状结构为加工小体和应激颗粒。
高温条件下，ALBA4形成的颗粒状结构是动态变化的，且能发生融合，光漂白后信号能够逐渐恢复（图2a-d）。根据生物信息学预测，在ALBA4、ALBA5和ALBA6的C端，均含有一段长的IDR（图2e）。ALBA蛋白在体外能够形成球状液滴，光漂白后信号逐渐恢复，随着蛋白浓度的升高，液滴增大；随着KCl浓度的提高，液滴变小（图2f-i）。体内和体外实验表明ALBA蛋白自身能够发生相分离。
alba456三突变体具有多种生长发育异常的表型，包括根短、莲座叶直径减少、叶脉发育紊乱、叶片卷曲、鲜重降低等。部分异常表型与加工小体组分突变体dcp5-1相似，ALBA4/5/6任何一个基因均能回补alba456突变体的表型。此外，ALBA4/5/6的三突变降低了拟南芥热胁迫后的存活率。
为解析ALBA蛋白参与植物耐热性的分子机制，研究人员利用eCLIP-seq鉴定了ALBA5的内源结合靶点。在高温条件下，ALBA5能够结合多个HSF mRNAs，如DREB2A、MBF1C、HSFB2A、HSFA2等。RNA原位杂交结果表明，ALBA4、ALBA5和ALBA6的缺失不影响应激颗粒的组装以及应激颗粒中总mRNAs的丰度，而特异的影响HSF mRNAs的量（图3a-c）。在alba456和dcp5-1突变体中， HSF mRNAs的降解速率相比野生型Col-0中明显较快（图3d）。这些结果表明ALBA蛋白招募HSF mRNAs进入应激颗粒并帮助维持了HSF mRNAs的稳定。在alba456突变体中，HSF mRNAs的丰度明显低于Col-0（图3e）。
XRN4的突变能够回补alba456三突变体的发育缺陷、热胁迫敏感、HSF mRNAs降解速率较快、丰度较低的表型。这些结果表明alba456突变体的发育表型和热胁迫敏感的表型主要是由XRN4介导的mRNA 5′到3′降解造成。
综上所述，该工作发现当植物受到高温胁迫时，ALBA蛋白结合包括HSF mRNAs在内的一系列mRNAs，通过相分离招募这些mRNAs进入应激颗粒和加工小体中，保护HSF mRNAs在高温条件下不被降解。在alba456三突变体中，HSF mRNAs不能被有效地招募进入应激颗粒和加工小体中保护起来，因此在细胞质中被XRN4从5′到3′降解，造成植物的耐热性下降（图4）。这一研究结果对于深入理解植物耐热性的分子机制和应激颗粒的生物学功能具有重要作用。
参考文献：
1 Hasanuzzaman, M., Nahar, K., Alam, M. M., Roychowdhury, R. & Fujita, M. Physiological, biochemical, and molecular mechanisms of heat stress tolerance in plants. Int. J. Mol. Sci. 14, 9643-9684 (2013).
2 Chantarachot, T. et al. DHH1/DDX6-like RNA helicases maintain ephemeral half-lives of stress-response mRNAs. Nat. Plants 6, 675-685 (2020).
3 Gutierrez-Beltran, E., Moschou, P. N., Smertenko, A. P. & Bozhkov, P. V. Tudor staphylococcal nuclease links formation of stress granules and processing bodies with mRNA catabolism in Arabidopsis. Plant Cell 27, 926-943 (2015).
4 Weber, C., Nover, L. & Fauth, M. Plant stress granules and mRNA processing bodies are distinct from heat stress granules. Plant J. 56, 517-530 (2008).
5 Sorenson, R. & Bailey-Serres, J. Selective mRNA sequestration by OLIGOURIDYLATE-BINDING PROTEIN 1 contributes to translational control during hypoxia in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 2373-2378 (2014).
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-022-01175-1
转自：植物科学最前沿
如有侵权，请联系本站删除！
