撰文丨赤贞
细胞在热应激时，会大量表达、翻译热休克蛋白，以协助对胞内变性的蛋白质进行复性及转运，从而启动细胞的自我保护机制。既往研究表明，真核细胞在应激状况下会快速发生较长时间的翻译停滞，在这一过程中，翻译机器仅对热休克相关转录本进行翻译。然而，细胞是如何将热休克相关转录本与管家基因的转录本区分开来的，这一问题至今尚未得到解决。
Dead-box家族蛋白的相分离现象是近年研究热点之一（Nature | ATP酶活性依赖的RNA解旋酶调控相分离的发生影响RNA成熟与加工），2020年4月30日，德国马普所Simon Alberti教授团队在Cell杂志上发表文章Condensation of Ded1p Promotes a Translational Switch from Housekeeping to Stress Protein Production，揭示了Dead-box家族解旋酶——Ded1p蛋白的相分离对翻译过程的调控作用。Simon Alberti与相分离的最初发现者Anthony A Hyman教授（近期刚当选为美国科学院院士）是马普所同事，两人合作对FUS蛋白、RNA结合蛋白等相分离现象进行过多项研究。
研究者首先通过核糖体印迹测序对经30℃、40℃、42℃热击处理后的酵母基因翻译效率进行了检测，找到了113个经42℃处理后翻译效率明显上升的基因，这些基因的mRNA5’端二级结构要明显少于热击后翻译效率下降的基因的mRNA。这提示酵母在热应激情况下倾向于翻译5’端较短、且二级结构较少的mRNA。
由于Ded1p和eIF4B是酵母中辅助核糖体识别长5’端mRNA的翻译起始因子，并且是构成应激小体的主要组分，作者推测Ded1p在应激条件下的沉默可能是促使管家基因翻译停滞的原因。因此，作者对Ded1p热敏的酵母株进行了核糖体印迹测序。结果发现，当Ded1p失活时，酵母中5’端较长、二级结构较多的mRNA的翻译明显停滞，其规律与42℃处理结果相同，提示在热应激时，mRNA的选择性翻译可能是由Ded1p介导的。
活细胞成像显示，当细胞环境温度在30℃至37℃之间时，弥散分布的Ded1p逐渐聚集成斑点状结构，其形成斑点的速度与温度的上升成正比；而当环境温度达到37℃以上时，Ded1p则在30分钟内迅速形成不可溶的斑点状结构，且与应激小体标志物Pab1p存在共定位。在体外条件下，Ded1p在40℃以上、pH7.0以下开始聚集形成相分离样结构，mRNA能够降低Ded1p形成相分离所需的浓度和温度，且Ded1p-mRNA相分离在高盐条件下可再次溶解。
从结构上来说，Ded1p由位于中心的解旋酶结构域和位于两端的两段内源性无序区构成；其C端IDR区是驱动相分离的主要区域，而N端IDR区则对Ded1p的相分离具有抑制作用。去掉Ded1p的N端IDR区后，截断体Ded1-IDRm在30℃下即能够发生相分离，而内源性表达Ded1-IDRm的酵母株在30℃条件下则表现出明显的生长缺陷，这提示Ded1p可能通过相分离影响翻译、从而限制细胞生长。
Ded1-IDRm酵母株的核糖体印迹测序结果显示，在42℃条件下，270个基因的翻译水平较野生型酵母株明显上调，这些基因的mRNA5’端均非常短，二级结构自由能接近为0，证实Ded1-IDRm酵母株中Ded1p的高度聚集是进一步抑制长5’端mRNA翻译的原因。此外，在Ded1-IDRm酵母株中，Ded1p的相分离中有更多的mRNA参与，这些mRNA主要是5’端长、且多二级结构的mRNA。
研究者还通过体外翻译实验对这一现象进行了确证：在体外翻译体系中，Ded1p的加入能够将长5’mRNA的翻译速度提高15-25倍，而对于短5’mRNA的翻译速度则没有显著的改变；而当Ded1p先在40℃或42℃条件下孵育并形成相分离、再加入到体外翻译体系中时，mRNA的翻译速度则出现明显下降，长5’mRNA的翻译速度下降更为显著。
在酵母中，多数蛋白在50℃以上才会发生聚积、沉淀，而Ded1p则对温度更为敏感，在42℃时即能够形成斑点状相分离结构。这一温度敏感性保证了酵母细胞能够及时对环境的细微变化作出反应，及时抑制管家基因的翻译、促进热休克蛋白的合成。在秀丽隐杆线虫及其他真菌中，也有Ded1p同源蛋白发挥着相似作用，为真核生物的生命活动进行精细的调控。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.009
