拟南芥热敏蛋白FUST1通过生物分子凝聚触发热应激颗粒组装的分子机制

为解决植物如何感知温度变化并启动热应激响应这一关键问题，研究人员聚焦拟南芥中未表征的固有无序蛋白FUST1，通过全原子分子动力学模拟（MD）和生物物理实验，首次揭示其朊病毒样结构域（PrLD）作为温度感应开关，通过"锁定-开放"构象变化驱动生物分子凝聚，进而启动热应激颗粒（SG）组装通路。该研究不仅阐明了植物热感知的原子基础，还为作物抗逆育种提供了新靶点，发表于《Cell Research》。

　　

随着全球气候变暖加剧，热胁迫已成为威胁植物生存的首要环境压力。与恒温动物不同，植物无法自主调节体温，高温会导致蛋白质错误折叠、活性氧（ROS）爆发等致命损伤。尽管已知植物通过生物分子凝聚（biomolecular condensation）感知温度变化，但原子尺度的热传感机制仍是未解之谜。同时，热应激颗粒（stress granule, SG）作为保守的细胞质凝聚体，其组装如何响应热信号也缺乏研究。

为破解这些难题，国内研究团队在《Cell Research》发表重要成果。他们发现拟南芥中一个名为FUST1（源自中国神话"扶桑树"）的固有无序蛋白（intrinsically disordered protein, IDR），其朊病毒样结构域（prion-like domain, PrLD）通过温度依赖的构象变化驱动相分离，进而启动SG组装通路。该研究综合运用全原子分子动力学模拟、荧光寿命成像（FLIM-FRET）、TurboID邻近标记等技术，首次在原子层面解析了植物热感知的分子开关机制。

关键技术方法
研究通过CRISPR构建FUST1基因敲除突变体（fust1-2），利用烟草表皮细胞和裂殖酵母异源表达系统筛选相分离蛋白；采用全原子分子动力学模拟（CHARMM36m力场）结合副本交换MD（REMD）解析PrLD构象变化；通过荧光恢复后漂白（FRAP）、动态光散射（DLS）和圆二色谱（CD）验证相分离特性；利用TurboID邻近标记和免疫沉淀质谱（IP-MS）鉴定FUST1互作组；建立双色活细胞成像系统追踪SG组装时序。

FUST1是未表征的热依赖性凝聚蛋白
研究发现FUST1在37℃处理2分钟内即可形成动态的细胞质凝聚体，其荧光恢复率（FRAP）和1,6-己二醇敏感性证实其具有液体样性质。体外实验显示，FUST1-GFP在30-37℃时液滴数量和尺寸显著增加，且温度依赖性浊度曲线与典型低临界溶解温度（LCST）蛋白一致。

PrLD是热传感的核心元件
结构域分析表明，缺失PrLD（FUST1ΔPrLD）完全破坏相分离能力。PrLD富含芳香族酪氨酸残基（Tyr），体外实验显示其Csat（饱和浓度）随温度升高而降低，符合LCST行为。关键的是，酪氨酸突变体（PrLD^Y>S）丧失温度响应性。

PrLD编码温度感应开关
MD模拟发现PrLD在280K时形成β-链（β-strand）锁结构，抑制分子间相互作用；升温至310K时β-链解离，侧链接触和氢键（H-bond）增加，释放相分离潜能。FLIM-FRET实验证实，PrLD两端在低温呈"锁定"构象（短寿命），加热后转为"开放"构象（寿命延长）。破坏β-锁的突变体（M1/M2）均丧失热响应性。

FUST1与SG组分互作并定位于SG
TurboID和IP-MS鉴定出438个互作蛋白，包括SG核心组分G3BP₅、PAB₂、RBP47_b等。体外分配实验显示，FUST1凝聚体在37℃时显著富集SG蛋白，而对照蛋白KH22未被招募。荧光原位杂交（FISH）证实FUST1与polyA mRNA共定位。

FUST1凝聚是SG组装的先决条件
时序成像显示，FUST1在35℃以下即可自主凝聚，而SG标记蛋白（如G3BP₅）需≥37℃且10分钟以上才出现。fust1-2突变体中SG组装延迟，mRNA凝聚减少。这表明FUST1形成SG的"外壳"网络，为"核心"蛋白组装提供支架。

FUST1赋予基础与获得性耐热性
fust1突变体在45℃热激后细胞死亡率显著增加，种子萌发率下降；33℃预处理的获得性耐热性也依赖FUST1。回补实验证实PrLD是功能必需域。

讨论与意义
该研究首次揭示IDR通过动态二级结构（β-链）编码温度感应开关的机制，提出"自抑制-释放"是生物分子凝聚的普适调控策略。FUST1作为植物特有的热敏"警报系统"，其保守性在玉米、大豆等作物中得到验证，为设计抗逆作物提供新思路。研究建立的原子模拟-生物物理联用范式，为解析其他温度感应蛋白（如ELF3、TWA1）提供方法论参考。未来可进一步探索FUST1凝聚体在植物"胁迫记忆"中的作用，以及其与HSP101等伴侣蛋白的协同机制。