研究發現ROS激發的蛋白質相分離控制植物干細胞

約24-38億年前，地球開始產生氧氣，大氣層由厭氧環境逐漸轉變為富氧環境，自然選擇促進了耗氧生物的生存優勢和生命演化。耗氧代謝增加了多細胞生物的能量代謝效率，但高頻的電子傳遞和能量轉換產生化學性質活潑、具有高度氧化力的活性氧分子（Reactive Oxygen Species, ROS），包括超氧陰離子（O2·-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）及一氧化氮（NO）等。細胞內累積過量ROS會導致DNA的氧化損傷及蛋白質行為的改變，引起細胞病變和死亡。因此，活性氧被認為是一種危險信號。多細胞生物正常生長發育過程中旺盛的能量代謝會產生大量ROS，除了自身清除機制，它們是否進化出更“節能”的辦法變廢為寶，將危險信號變成有益信號？植物難以像動物那樣自由移動來規避各種風險，它們是否進化出更靈活和“聰明”的策略來駕馭這些危險信號？

2月25日，Nature Chemical Biology在線發表了題為ROS regulated reversible protein phase separation synchronizes plant flowering的論文（DOI:10.1038/s41589-021-00739-0）。報道了中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員許操研究組與合作者，關于ROS激發蛋白質相分離控制干細胞命運的研究成果。研究發現，正常生長發育的番茄莖尖分生組織周邊區亦積累H2O2，它可作為“有益”的發育信號，以依賴TMF的方式調控莖尖分生組織成熟和番茄開花時間。番茄莖尖分生組織成熟是精準的程序化發育過程，TMF編碼一個含有保守半胱氨酸（Cysteine）的轉錄因子，通過抑制莖尖分生組織過早成熟（Precocious maturation），確保開花有序進行。TMF是控制莖尖干細胞命運，保障分生組織時序性發育的關鍵基因，它突變后，番茄過早開花，且花序由多花變為單花。TMF在番茄莖尖分生組織的周邊區特異表達，與H2O2積累的位置有部分重疊，而在這一區域表達的TMF蛋白在細胞核內呈現斑點狀定位模式（Puncta）。進一步研究發現，TMF蛋白的半胱氨酸可以被在此累積的H2O2氧化，形成分子間和分子內的二硫鍵，二硫鍵促進TMF的天然無序區域（Intrinsically disordered region, IDR）聚集，增強了多價相互作用（Multivalency），進而驅動蛋白質相分離，靶向花原基（Floral meristem）分化基因ANATHA(AN)，形成轉錄凝聚體（Transcriptional condensate），精準調控番茄莖尖分生組織的成熟（Meristem maturation）和開花。

該文章是迄今第一篇以作物為研究模式報道蛋白質相分離機制的科研論文。研究發現了一種新的蛋白質相分離機制：干細胞利用能量代謝的副產物ROS作為氧化信號，誘導轉錄因子二硫鍵形成和天然無序區多價作用，產生“雙驅動力”引發相分離。該研究第一次將活性氧信號、蛋白質相分離和干細胞命運決定三個重要的生物學現象和科學問題建立了分子聯系，闡明機制，系統驗證了生物學功能，為該領域的重要進展；首次將化學生物學信號、蛋白質行為直接與植物發育時序性轉錄調控聯系，更新了對植物莖尖干細胞命運決定機制的認識，將關于發育生物學的認知推進到生物物理學和化學生物學層面，為使用交叉學科知識解析復雜生物學機制提供了范例。

許操研究組博士后黃小珍、博士研究生陳樹棟為論文的共同第一作者，許操為論文通訊作者，清華大學研究員李丕龍為論文的共同通訊作者，李丕龍研究組、許操研究組的相關科研人員做出貢獻。該工作獲得中科院院士王志珍、李家洋等的指導和幫助。研究工作得到中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目、中科院戰略性先導科技專項（A類）、國家重點研發計劃、國家自然基金委員會及植物基因組學國家重點實驗室的支持。

研究發現ROS激發的蛋白質相分離控制植物干細胞命運

【來源：遺傳與發育生物學研究所】

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