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Nature/Cell | 两获诺贝尔奖,阮病毒样蛋白的新作用:充当温度及水感应蛋白
2021-07-074490

许多生物进化出了在干燥环境中生存的策略。植物种子可以保护脱水胚胎免受各种胁迫因素的影响,并且可以休眠数千年。水合作用是启动萌发的关键触发因素,但种子感知水分的机制仍未得到解决。

2021年7月6日,斯坦福大学Yanniv Dorone等人在Cell 在线发表题为“A prion-like protein regulator of seed germination undergoes hydration-dependent phase separation”的研究论文,该研究鉴定了一种未表征的拟南芥朊病毒样蛋白,将其命名为 FLOE1,它在水合作用时相分离,并使胚胎能够感知水分胁迫。

该研究证明 FLOE1 凝聚物的生物物理状态在体内调节其在不利环境下抑制种子萌发的生物学功能。该研究发现 FLOE1 表达和相分离的基因内、种内和种间自然变异,并表明基因内变异与自然种群的适应性发芽策略有关。这种分子、有机体和生态学研究的结合揭示了 FLOE1 作为一种可调节的环境传感器,在面对气候变化时对抗旱作物的设计具有直接影响。

2020年8月26日,英国剑桥大学Philip A. Wigge团队在Nature 在线发表题为“A prion-like domain in ELF3 functions as a thermosensor in Arabidopsis”的研究论文,该研究发现来自较热气候的植物中的ELF3蛋白,没有可检测的PrD,在高温下具有活性,并且缺乏热响应性。ELF3的温度敏感性也受ELF4的水平调节,表明ELF4可以稳定ELF3的功能。在拟南芥中,与绿色荧光蛋白融合的ELF3以较高的温度在数分钟内以PrD依赖的方式形成斑点。响应于体外温度升高,包含ELF3 PrD的纯化片段可逆地形成液滴,表明这些特性反映了PrD赋予的直接生物物理响应。温度通过相变使ELF3在活动状态和非活动状态之间快速转换的能力代表了以前未知的热敏机制(点击阅读)。

两获诺贝尔奖,阮病毒样蛋白的新作用:充当温度及水感应蛋白

 

尽管水对生命至关重要,但许多生物体已经开发出方法来承受严重的水分胁迫或具有静止的干燥生命阶段。具有这种极端适应能力的生物包括植物。种子是专门的传播载体,可以成熟到静止、干燥的状态,使它们能够在恶劣条件下保持活力,从几年到几千年不等。吸水后,种子会经历一系列生化和机械事件并恢复细胞活动。种子可以经受多次水合作用-脱水循环,同时保持活力和耐旱性。然而,一旦开始发芽,种子就会失去这种能力。因此,发芽时间不当会严重限制幼苗的存活。尽管发芽控制具有根本的重要性,但支持这一决定的分子细节仍然难以捉摸。

有限的可用水会显著改变蛋白质的溶解度并诱导蛋白质聚集。为了保护它们的细胞质成分,种子具有一系列保护机制。这些包括渗透保护剂和分子伴侣的上调,以及种子成熟过程中的细胞质液体到玻璃化转变。鉴于蛋白质在这种极端条件下必须承受复杂的生物物理变化,该研究探索了种子蛋白质如何适应以应对它们。

1957年,美国科学家盖杜谢克(Daniel Gajdusek,1923-2008年)在巴布新几内亚东部高地发现一个土著部落Fore族,Fore族有很多人得了一种被称为库鲁病的怪病,潜伏期较长,前期患者仅感头痛及关节疼痛,继之出现共济失调、震颤、不自主运动,后者包括舞蹈症、肌阵挛等,在病程晚期出现进行性加重的痴呆,神经异常。患者多在发病3~6个月内死亡。

起初,盖杜谢克以为库鲁病是遗传病,后来他发现Fore族有食用已故亲人脏器习俗,库鲁病其实是一种传染病,致病源就是后来发现的Prion(朊病毒)。1982年,美国生化学家史坦利·布鲁希纳(Stanley Prusiner,1942年-)在Science杂志发表论文,发现并命名了朊病毒Prion。

1991年,史坦利·布鲁希纳Science杂志发表论文,揭示了朊病毒的致病机制,从而阐明了动物瘙痒症以及人类克雅氏病等致病原因。1976年,盖杜谢克因在库鲁病领域的杰出贡献获得诺贝尔生理学或医学奖。1997年,布鲁希纳因发现朊病毒及阐述其致病机理而获得了1997年诺贝尔生理学或医学奖。

朊病毒(prion)实质是一类具有感染性的特殊蛋白,朊病毒(SC型PrP型蛋白)接触到了生物体内正常的C型PrP蛋白,导致C型的变成了SC型,通过蛋白变构来批量复制自己。所以,阮病毒依然是由基因编码的,通过改变正常PrP蛋白的构象来实现自我复制和传播疾病。

该研究报告了一种未表征的朊病毒样蛋白 FLOE1 的鉴定,它在种子吸胀时特别地发生相分离。通过突变株系的表型和转录组学分析,该研究提供了证据表明该蛋白质允许胚胎感知水势并在不利条件下减弱萌发。FLOE1 经历相分离并在水分胁迫条件下调节发芽。使用这些来改变 FLOE1 的生物物理状态会导致种子发芽发生改变,这为生物分子凝聚物的材料特性在多细胞生物体内的功能重要性提供了证据。最后,该研究在绿色植物中发现了一个庞大的 FLOE 同源家族。该研究表明自然序列变异驱动了 FLOE 阶段行为的差异,这表明 FLOE 变异可能调节野生种子的发芽。

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