溫度升高，酵母細胞變聰明？溫度控制模塊揭秘細胞減數分裂與溫度的奧秘

　　RNA結合蛋白(RBP)可通過細胞內的無膜細胞器(MLO)調控基因表達。Rim4是釀酒酵母細胞中的一種RBP，能夠形成減數分裂所需的淀粉樣蛋白聚集。當出現溫度升高等環境變化導致細胞應激時，Rim4濃縮形成可逆的應激顆粒(圖1C)。

圖1 A：Rim4蛋白結構域和減數分裂示意圖；B：AlphaFold預測的Rim4的三維結構；C：減數分裂前期I的細胞中GFP-Rim4在不同的條件應激下形成foci。

　　近期，發表于bioRxiv的一篇文章利用超精準可調節溫度控制模塊-VAHEAT對活細胞內溫度誘導相變進行了深入研究^[1]。

　　研究人員將酵母細胞懸液滴加在VAHEAT的智能基板上并放置于顯微鏡適配器中，連接上VAHEAT控制器，即可實現對細胞樣品的溫度控制。VAHEAT可在0.1s左右使樣品到達實驗所需的溫度并穩定控溫。當加熱至一定的溫度，且經過一定時間后，Rim4即可濃縮形成foci，并主導細胞質應激顆粒的生成(圖2D-圖2F)，顆粒中含有酵母應激顆粒的標記物Pab1 (圖2G&圖2H)，以及mRNA(圖2I)。

圖2 D：不同溫度下Rim4隨時間推移形成foci；E：圖1D中不同溫度下信號強度的標準差；F：圖1D中不同溫度下細胞內的平均foci數量；G&H：加熱后與未加熱的Pab1和Rim4的共定位；I：加熱后與未加熱的FISH結果。

　　Rim4含有三個RNA識別基序(RRM)，由內在無序區域(IDR)連接，而IDR能夠引導Rim4 foci的形成。IDR殘基Rim4 (IDR₃)在細胞沒有因溫度升高導致應激時也可以聚集形成foci，而C端IDR切除后的Rim4(△IDR₃)在溫度升高時的foci形成明顯下降，以上結果說明Rim4在沒有mRNA時也可以由IDR引導自組裝形成foci(圖3)。

圖3 上：GFP-Rim4，GFP-Rim4(?IDR₃)和GFPRim4(IDR₃)的示意圖；下：上述Rim4及變體在加熱前和加熱后的分布。

　　實驗發現，盡管Rim4在細胞核和細胞質中均等分布，溫度升高時生成foci的主要是細胞質中的Rim4。研究人員使用了具有RNA結合缺陷的Rim4(FLm)突變體，其僅有一個功能正常的RRM，相對于野生型的RNA結合下降，但不會自組裝。加熱后，細胞核中的Rim4(FLm)迅速形成了foci(圖4)，這說明RNA結合能夠抑制Rim4的自組裝。

圖4: 加熱后細胞核中Rim4(FLm)形成foci。

　　根據以上結果，研究人員使用了一個熱誘導產生減數分裂應激顆粒的模型(圖5)。

圖5 Rim4自組裝后結合RNA和RBP形成應激顆粒的過程

　　在細胞質內的Rim4 foci形成的開始階段(42?C, 10 sec)，與Pab1幾乎沒有共定位；Rim4 foci完整形成后(42?C, 5 min)，能夠與Pab1結合(圖6)。

圖6 加熱時，Rim4首先形成foci，然后與Pab1結合。

　　最后，研究人員檢測了溫度升高導致的Rim4自組裝和減數分裂應激顆粒的生成對減數分裂和孢子形成的影響。結果表明，減數分裂間期Ⅰ細胞的細胞自噬標記蛋白Atg8與Rim4 foci在溫度變化及回復期間均未發生共定位；不同時期的細胞裂解后，裂解液中的Rim4蛋白水平在加熱過程中和加熱后恢復時沒有改變（圖7），說明Rim4的濃縮能夠使其在細胞應激時也能夠保持穩定，直到減數第一次分裂時再分解，進而啟動減數分裂中后期的翻譯過程。

圖7 左：未加熱，加熱中和加熱后，Atg8與Rim4均未發生共定位；右：不同時期細胞裂解液的Rim4水平未受細胞自噬影響。

　　綜上所述，減數分裂特異性的RNA結合蛋白Rim4，經過熱刺激誘導形成可逆的應激顆粒，通過抑制翻譯來抑制減數分裂以防止減數分裂錯誤。最后，熱刺激誘導的Rim4 foci能夠進行自組裝，并且結合mRNA和其他RBP如Pab1。未來的研究方向應是闡明由Rim4驅動的減數分裂應激顆粒的組成和功能，以及Rim4如何轉換其蛋白質狀態以執行功能。

　　在以上研究中，VAHEAT能夠對樣品直接、快速地加熱至所需溫度并保持恒溫，且適配多種熒光顯微鏡以實現樣品的實時快速成像。該技術來源于德國著名的馬克斯-普朗克研究所 （MPI） ，兼容市面上絕大多數的商用顯微鏡和物鏡，可在高清成像的同時快速和精確地調節溫度，加熱速率可達100℃/s，最高溫度可達200℃，穩定性0.01℃。該模塊自2021年問世以來，已在《Journal of the American Chemical Society》、《Small》、《EMBO Journal》、《Nature Communications》、《Nature Methods》、《Nature Nanotechnology》等高水平期刊發表數十篇文獻。

圖8 VAHEAT實物圖

圖9 A:  VAHEAT   各部件名稱B:  VAHEAT 配有容納液體樣品的智能基板，可安裝在顯微鏡上C:  VEAHEAT 智能基板含有氧化銦錫 （ITO） 加熱元件和溫度探頭

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　　參考文獻：

　　[1]. Zhang,   R., Li, S., Feng, W., Qian, S., Chellappa, A. J., & Wang, F. (2024). Rim4   is a Thermal Sensor and Driver of Meiosis-specific Stress Granules. bioRxiv.

　　相關產品

　　1.超精準可調節溫度控制模塊-VAHEAT
http://www.dongsenyule.com/product/202305061581.shtml