Science Advances | 福建農林大學熊延團隊揭示應激顆粒的解聚調控TOR激酶活性恢復的分子機制

應激顆粒（Stress granules, SGs）是植物在寒冷、高溫、干旱、高鹽等脅迫條件下于細胞質內形成的無膜聚合物，在提高植物脅迫耐受性、促進脅迫后恢復生長中起關鍵作用。TOR激酶作為一類高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過復合體形式調控細胞增殖、蛋白質合成、自噬、光形態建成及逆境響應等重要生理過程。在哺乳動物和酵母中，TOR信號通路與應激顆粒之間已存在已知的交叉調控網絡，然而在植物中，二者是否存在相互調控及其具體機制尚不明確。

近日，福建農林大學熊延教授團隊在Science Advances上發表了題為Stress granule dynamics govern TOR reactivation and growth recovery during post-heat stress adaptation的研究論文，揭示了植物在熱脅迫適應過程中應激顆粒與TOR信號通路之間的調控機制。

該研究首先以應激顆粒的標志蛋白PAB4和RBP47B作為觀察對象，發現TOR抑制劑處理不影響熱激期間應激顆粒的形成。在植物中， TOR復合物1（TOC1）包括三個核心組分：TOR, RAPTOR1B和LST8。進一步發現，RAPTOR1B和LST8在熱激后能夠形成聚合物，并且與PAB4和RBP47B形成的應激顆粒基本共定位。由于難以獲得TOR穩定遺傳的轉基因材料，該研究通過差速離心結合免疫沉淀的技術，證實TOR蛋白可被富集于PAB4形成的應激顆粒中。以上結果表明，熱激后，TOR及其復合體組分RAPTOR1B、LST8被招募到應激顆粒中（圖1）。

圖1 熱激后TORC復合體組分被隔離到SGs中

后續研究發現，熱激迅速抑制TOR激酶的活性。而在熱激后的恢復過程中，TOR活性約在40分鐘后開始回升。若預處理抑制應激顆粒形成的放線菌酮（CHX），TOR活性恢復提前至20分鐘，暗示應激顆粒的解聚速率影響TOR再激活的速率。進一步通過調控熱休克蛋白HSP101（影響應激顆粒解聚）的遺傳材料發現：與野生型相比，在功能缺失突變體hot1-3中，應激顆粒的解聚與TOR活性的恢復均減緩；而在HSP101過表達植株中，二者恢復均加快。（圖2）。以上結果進一步證實SG的動態變化調控TOR信號通路在熱脅迫后的重激活。

圖2 熱激后TOR活性的重新激活依賴于SG

課題組前期研究顯示，葡萄糖可激活TOR信號通路，從而促進根的生長。本研究發現，熱激會延緩葡萄糖誘導的TOR活性恢復及主根生長。與野生型相比，在hot1-3突變體中，這種延緩效應更為顯著；而在HSP101過表達植株中，恢復過程明顯加快。（圖3）。以上結果表明，在熱激后的恢復階段，應激顆粒通過調控葡萄糖-TOR信號通路的重激活進程，進而影響主根再生長的速率。

圖3 SG的動態變化調控葡萄糖-TOR信號通路介導的根生長過程

綜上所述，該研究揭示了植物在熱脅迫后通過應激顆粒動態調控TOR激酶活性的恢復，進而啟動生長復蘇的分子機制。該研究不僅首次在植物中揭示了應激顆粒與TOR信號通路之間的雙向調控關系，也為進一步通過分子育種手段改良作物耐熱性、提升氣候變化背景下植物的逆境適應能力提供了新的理論依據與潛在靶點。

福建農林大學熊延教授課題組的講師鐘兆宸和博士研究生楊肅赟為論文共同第一作者。福建農林大學熊延教授和鐘兆宸博士為本文共同通訊作者。該工作得到了清華大學方曉峰教授、福建農林大學徐通達教授和劉巖林教授的幫助和大力支持。該研究得到了國家自然科學基金、福建農林大學科研經費等項目的資助。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv6202