植物应对热胁迫的热休克蛋白运作机制Bi

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全球每年超过一半的失收农作物，都是因为受到干旱、土壤盐碱度和极端温度等环境压力的影响。目前科学界普遍认为，气候变化和全球变暖将严重影响未来的农业和粮食生产。因此，全面了解植物如何适应环境压力，和通过改良农作物的遗传基因从而促进农业可持续发展、提高粮食产量以应对世界人口持续增长变得尤为重要。

温度是影响植物新陈代谢及许多生理过程的主要压力因素之一，植物在过热的环境下会无法正常生长、甚至死亡。在正常环境下，负责植物细胞内生命活动的蛋白会折叠成特定的结构，从而发挥功能；但当温度上升，这些蛋白质便会开始聚集并丧失正常的折叠结构，从而失去活性和正常功能。所以为了生存，植物不断进化以适应环境，建立出对抗热休克反应等的多种防御机制，阻止蛋白质变性影响生理功能。

小分子热休克蛋白是一种在进化层面高度保守的分子伴侣，它们广泛存在于不同种类的动植物中。它们会与其他蛋白结合，并协助对方行使功能。小分子热休克蛋白主要的作用是防止其他蛋白在环境压力下不可逆转地聚集、变性或失去正常折叠结构，从而帮助该蛋白正常发挥其功能，因此也被称为管家蛋白。有研究已证实通过基因转录表达的小分子热休克蛋白，可以提高植物的耐热性。

近日，香港中文大学生命科学学院刘振宇团队在NatureCommunications杂志上发表了题为Structuralbasisofsubstraterecognitionandthermalprotectionbyasmallheatshockprotein的研究论文。该文章利用先进的单颗粒冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术首次窥探小分子热休克蛋白与其天然底物的复合结构，并揭示了植物抗热休克反应的蛋白运作机制。在全球气候变化的大环境下，此项发现可为提高农作物耐热性和产量提供方向。

Hsp21是一种存在于所有能进行光合作用的植物中的小分子热休克蛋白，主要的功能是保护植物免受热压力的胁迫。刘振宇团队运用结构生物学和细胞生物学的研究方法，揭示了小分子热休克蛋白的运作机制。利用冷冻电镜单颗粒分析技术（Cryo-EMsingleparticleanalysis,Cryo-EMSPA）首次解析了植物小分子热休克蛋白Hsp21与其天然底物1-脱氧-D-木酮糖5-磷酸合酶（1-deoxy-D-xylulose-5-phosphatesynthase,DXPS）的复合物结构，同时也成功解析Hsp21和DXPS两个蛋白单独的结构，分辨率分别达到了3.7,4.6和4.0。该团队在拟南芥的原生质体中瞬时表达，或者在大肠杆菌中过量表达两种蛋白，通过热激反应观察到Hsp21可以结合并防止DXPS的聚集和变性。除此之外，用纯化好的两种蛋白在体外进行热激，同样也能观察到Hsp21对DXPS的热保护性。

由于Hsp21-DXPS复合物的表达具有瞬时性和异质性，传统的X射线晶体学结构分析一直无法得知其结构，研究人员纯化出热激条件下的Hsp21-DXPS复合物，采用革命性的单颗粒冷冻电子显微镜和先进的图像计算处理算法，以极高的分辨率窥探Hsp21、DXPS和Hsp21-DXPS复合物的三维结构。

通过对Hsp21-DXPS复合物的结构分析，观察到在单细胞生物和植物中，由其中央α-晶状蛋白结构域（ACD）形成的二聚体形式的小分子热休克蛋白被广泛认为是组成高阶寡聚体的基本构件成分，并且这样的二聚体形式也是维持其活性的必要条件。出乎意料的是，该团队解析出的Hsp21-DXPS复合物结构表明Hsp21是以单体而非二聚体的形式与DXPS结合，并且Hsp21以不对称的方式结合在DXPS的二聚体界面上，并栖息在DXPS两个单体的结构域I的顶部，形成冠状结构。通过对DXPS和Hsp21-DXPS复合物的结构对比发现，当与Hsp21单体结合时，DXPS的结构接近天然状态。

研究人员同时也解析了Hsp21的结构，发现其形成的四面体结构不同于之前发表的较低分辨率的相同复合物结构。小分子热休克蛋白形成高阶寡聚体主要通过所谓二聚体面和非二聚体面介导。研究人员发现，在Hsp21的二聚体界面是以一个单体的β5-β7环通过氢键（弱相互作用）与另一相对单体的ACD结构域上β2链和β3链相互作用。因此，和传统的小分子热休克蛋白相比，Hsp21缺乏β6链，取而代之的是β5-β7环。另一方面，非二聚体界面涉及C端尾部保守IXVXI氨基酸序列中Val和Ile残基与相邻单体的β4和β8链之间形成的ACD疏水槽的结合。最后研究人员对Hsp21和Hsp21-DXPS复合物的结构也进行了对比，发现Hsp21的ACD结构域在原有的折叠结构上进行了部分的展开并剥离了第一条β链（β2），同时在构象上也发生了接连的变化以适应与DXPS的结合。由此，研究人员推测第一条链的丢失会破坏二聚体界面的稳定性，这一现象也可能与Hsp21的单体化有关。

该文章首次解析了小分子热休克蛋白与其天然底物的结构，揭示了小分子热休克蛋白如何通过部分展开自己的结构域来向其底物提供热保护的运作机制（下图），并推测植物中其他蛋白在对抗热压力时，有着同一套的防御系统。科学家们一直试图通过基因改造农作物来增强它们的抗热能力，以解决全球变暖下的粮食危机。此次研究成则为这些方面的工作带来重要的科学依据和参考价值。

香港中文大学生命科学学院博士生虞传洋和研究助理梁敬邦为论文共同第一作者，刘振宇教授为论文通讯作者，加拿大多伦多儿童疾病研究中心（TheHospitalforSickChildrenResearchInstitute）和香港中文大学生命科学学院姜里文教授为此次研究提供重要支持。

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