撰文丨赤貞
細胞在熱應激時，會大量表達、翻譯熱休克蛋白，以協助對胞內變性的蛋白質進行復性及轉運，從而啟動細胞的自我保護機制。既往研究表明，真核細胞在應激狀況下會快速發生較長時間的翻譯停滯，在這一過程中，翻譯機器僅對熱休克相關轉錄本進行翻譯。然而，細胞是如何將熱休克相關轉錄本與管家基因的轉錄本區分開來的，這一問題至今尚未得到解決。
Dead-box家族蛋白的相分離現象是近年研究熱點之一（Nature | ATP酶活性依賴的RNA解旋酶調控相分離的發生影響RNA成熟與加工），2020年4月30日，德國馬普所Simon Alberti教授團隊在Cell雜誌上發表文章Condensation of Ded1p Promotes a Translational Switch from Housekeeping to Stress Protein Production，揭示了Dead-box家族解旋酶——Ded1p蛋白的相分離對翻譯過程的調控作用。Simon Alberti與相分離的最初發現者Anthony A Hyman教授（近期剛當選為美國科學院院士）是馬普所同事，兩人合作對FUS蛋白、RNA結合蛋白等相分離現象進行過多項研究。
研究者首先通過核糖體印跡測序對經30℃、40℃、42℃熱擊處理後的酵母基因翻譯效率進行了檢測，找到了113個經42℃處理後翻譯效率明顯上升的基因，這些基因的mRNA5』端二級結構要明顯少於熱擊後翻譯效率下降的基因的mRNA。這提示酵母在熱應激情況下傾向於翻譯5』端較短、且二級結構較少的mRNA。
由於Ded1p和eIF4B是酵母中輔助核糖體識別長5』端mRNA的翻譯起始因子，並且是構成應激小體的主要組分，作者推測Ded1p在應激條件下的沉默可能是促使管家基因翻譯停滯的原因。因此，作者對Ded1p熱敏的酵母株進行了核糖體印跡測序。結果發現，當Ded1p失活時，酵母中5』端較長、二級結構較多的mRNA的翻譯明顯停滯，其規律與42℃處理結果相同，提示在熱應激時，mRNA的選擇性翻譯可能是由Ded1p介導的。
活細胞成像顯示，當細胞環境溫度在30℃至37℃之間時，彌散分布的Ded1p逐漸聚集成斑點狀結構，其形成斑點的速度與溫度的上升成正比；而當環境溫度達到37℃以上時，Ded1p則在30分鐘內迅速形成不可溶的斑點狀結構，且與應激小體標誌物Pab1p存在共定位。在體外條件下，Ded1p在40℃以上、pH7.0以下開始聚集形成相分離樣結構，mRNA能夠降低Ded1p形成相分離所需的濃度和溫度，且Ded1p-mRNA相分離在高鹽條件下可再次溶解。
從結構上來說，Ded1p由位於中心的解旋酶結構域和位於兩端的兩段內源性無序區構成；其C端IDR區是驅動相分離的主要區域，而N端IDR區則對Ded1p的相分離具有抑制作用。去掉Ded1p的N端IDR區後，截斷體Ded1-IDRm在30℃下即能夠發生相分離，而內源性表達Ded1-IDRm的酵母株在30℃條件下則表現出明顯的生長缺陷，這提示Ded1p可能通過相分離影響翻譯、從而限制細胞生長。
Ded1-IDRm酵母株的核糖體印跡測序結果顯示，在42℃條件下，270個基因的翻譯水平較野生型酵母株明顯上調，這些基因的mRNA5』端均非常短，二級結構自由能接近為0，證實Ded1-IDRm酵母株中Ded1p的高度聚集是進一步抑制長5』端mRNA翻譯的原因。此外，在Ded1-IDRm酵母株中，Ded1p的相分離中有更多的mRNA參與，這些mRNA主要是5』端長、且多二級結構的mRNA。
研究者還通過體外翻譯實驗對這一現象進行了確證：在體外翻譯體系中，Ded1p的加入能夠將長5』mRNA的翻譯速度提高15-25倍，而對於短5』mRNA的翻譯速度則沒有顯著的改變；而當Ded1p先在40℃或42℃條件下孵育並形成相分離、再加入到體外翻譯體系中時，mRNA的翻譯速度則出現明顯下降，長5』mRNA的翻譯速度下降更為顯著。
在酵母中，多數蛋白在50℃以上才會發生聚積、沉澱，而Ded1p則對溫度更為敏感，在42℃時即能夠形成斑點狀相分離結構。這一溫度敏感性保證了酵母細胞能夠及時對環境的細微變化作出反應，及時抑制管家基因的翻譯、促進熱休克蛋白的合成。在秀麗隱杆線蟲及其他真菌中，也有Ded1p同源蛋白髮揮著相似作用，為真核生物的生命活動進行精細的調控。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.009