LSD1/CATALASE 2相分离凝聚体的氧化还原调控机制及其在细胞定位与功能中的关键作用

本研究揭示了拟南芥CAT2（过氧化氢酶2）通过氧化还原依赖的方式与LSD1（病变模拟病1）形成相分离凝聚体，调控其细胞内定位与活性的新机制。研究发现LSD1的锌指结构域驱动相分离，并与过氧化物酶体导入受体PEX5形成三元复合物，其相互作用受氧化还原状态调控。该成果为植物发育与应激响应中的相分离机制提供了重要见解，对理解氧化还原信号传导和细胞器功能调控具有深远意义。

　　

研究背景

植物细胞的氧化还原环境调控生长、发育和防御的各个方面。相分离（phase separation）作为无膜细胞器形成的重要机制，近年来在植物生物学中备受关注。拟南芥过氧化氢酶2（CAT2）是清除H₂O₂的关键抗氧化酶，其80%的活性存在于叶片中。CAT2主要定位于过氧化物酶体，但近年研究发现其与多种胞质蛋白相互作用，甚至可被病原体效应子转运至细胞核。病变模拟病1（LSD1）是一种植物特异性蛋白，通过抑制程序性细胞死亡（PCD）调控氧化还原信号。

主要发现

1. LSD1与CAT2/PEX5形成三元复合物

通过微量热泳动（MST）分析，研究发现CAT2与过氧化物酶体导入受体PEX5直接结合（K_d=2.35±0.279 μM），而LSD1需依赖PEX5与CAT2形成三元复合物（K_d=0.136±0.0398 μM）。免疫荧光显示，LSD1在拟南芥原生质体中形成颗粒状结构，与CAT2和PEX5共定位，并部分与过氧化物酶体标志物CFP-SKL和膜蛋白PEX14共定位。

2. LSD1锌指结构域驱动相分离

LSD1的锌指1和锌指2结构域（非C端无序区）是相分离的关键区域。重组LSD1在低至1.8 μM浓度下即可形成凝胶状凝聚体，其流动性通过荧光漂白恢复（FRAP）实验证实较弱（恢复率仅5.2%）。1,6-己二醇可破坏凝聚体，表明疏水相互作用参与相分离。

3. 氧化还原调控复合物动态

• 氧化条件（H₂O₂处理）：促进CAT2在LSD1凝聚体表面富集，但抑制PEX5与LSD1的混合。

• 还原条件（β-ME处理）：使CAT2渗入LSD1凝聚体核心，并增强PEX5与LSD1的混合（FRAP恢复率提升至25.7%）。

• 功能影响：LSD1-CAT2凝聚体使CAT2活性提升2.5倍，与lsd1突变体对过氧化氢酶抑制剂敏感的表型一致。

4. 细胞内定位的氧化还原调控

• 还原条件（β-ME）促使CAT2向核周聚集并进入细胞核（Z-栈成像证实），而氧化条件（H₂O₂）导致CAT2在胞质中弥散分布。

• lsd1突变体中CAT2定位异常，表现为弥散性分布，证实LSD1对CAT2空间组织的调控作用。

机制模型

研究提出“氧化还原门控”模型：

1. 还原状态：LSD1凝聚体流动性增强，暴露核定位信号，通过importin α介导CAT2-LSD1复合物核转运，提供核内抗氧化保护。

2. 氧化状态：PEX5在凝聚体表面富集，促进CAT2靶向过氧化物酶体；过度氧化则抑制过氧化物酶体导入，保留CAT2于胞质。

研究意义

该工作首次揭示植物中相分离通过氧化还原调控蛋白质功能与定位的分子机制，为理解氧化应激响应、病原体防御及细胞器通讯提供了新视角。核定位的CAT2可能保护DNA和转录因子（如LSD1）免受H₂O₂损伤，而相分离的层级调控为设计抗逆作物提供了潜在靶点。