Cell | 肽配体RALF和果胶酶相分离介导FERONIA信号网络

撰文 | 静思

经过亿万年的演化，植物在不同水平上进化出复杂的策略应对各种生存压力，以维持生命的协调和延续【1】。细胞膜类受体蛋白激酶FERONIA (FER) 是近些年发现的主要调节器， 在植物的生长发育、响应逆境胁迫、生殖等活动中发挥重要的作用，其命名源自拉丁语中的“春天女神”，FERONIA在古罗马神话中代表掌管生育和健康的女神【2,3】。研究已知，FER及其共受体LLG1（LORELEI-LIKE糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白[GPI-AP]）与他们的肽配体RALF（快速碱化因子）共同广泛参与整个植物的生命活动，但是该信号调控模块如何发挥广泛的生物学功能尚不清楚【2,3】。考虑到FER-LLG1在细胞表面发挥不同功能，会影响细胞膜的生物活性，而细胞膜与细胞壁保持紧密的联系，且细胞壁中的主要多糖果胶可以与FER胞外结构域结合，说明这其中存在一种普遍性的机制【4-6】。

液液相分离是一种新兴的控制多种生物过程的机制，目前研究发现主要发生在细胞核或细胞质中【7】。相分离主要通过无序肽和具有相变能力的多价分子实现，RALF本质上是一种无序肽，果胶具有响应环境变化发生相变的能力【8,9】，所以是否在植物细胞表面存在相分离机制发挥全局信号作用非常值得深入探讨。

近日，美国马萨诸塞大学生化和分子生物学系Alice Y. Cheung和Hen-Ming Wu团队在Cell上发表了一篇题为Extracellular pectin-RALF phase separation mediates FERONIA global signaling function的研究论文，发现了一种FERONIA肽配体RALF与细胞多糖果胶相互作用驱动的细胞外相分离应对环境应激的新机制。

作者首先研究了RALF如何影响其受体FER和LLG1的内吞作用，发现RALF和受体FER-LLG1相互作用，而且该互作对于触发同源受体的内吞作用至关重要，将配体调节的受体密度变化与RALF的细胞调节功能联系起来；随后进一步分析其他关键的细胞表面生长和免疫调节因子，如氢离子-ATP酶AHA2，发现RALF诱导的细胞膜中AHA2丰度降低可能是其介质碱化和生长抑制活性的潜在因素之一，同时发现RALF触发的内吞作用虽然混杂，但是似乎是有选择性的；随后作者研究了RALF诱导的非同源靶标的内源毒性是否与FER-LLG1的互作有关，结果显示RALF在胞外介导的多种功能途径，是依赖于FER-LLG1模块的，且该机制是非常规的。

研究人员深入探究了RALF触发的FER-LLG1依赖型混杂内吞作用的机制，经过本氏烟上的信号传导检测和突变体材料观察，发现RALF触发同源和非同源受体的聚集，将它们集中在纳米到微米级别的膜的亚结构中。作者猜测RALF可能是通过与细胞壁中果胶的相互作用发挥功能，经过荧光标记和观察分析，发现RALF-果胶的相分离促进了果胶-RALF-FER-LLG1在体外或植物中的组装活动。

已知局部的高浓度分子聚集会增强体内的生物活性，研究人员通过构建RALF突变体，分析其生理生化活性变化，结果显示RALF-果胶相分离活动广泛影响不同的生物过程。作者设计了一系列实验强有力的证实了RALF-果胶相分离介导的细胞表面同源和非同源受体的聚集和内吞作用的重要作用，对细胞壁中果胶状态研究发现，去酯化的果胶碎片对RALF-果胶相分离介导的生物活动也是至关重要的。作者进一步寻找RALF-果胶相分离控制FER-LLG1进而影响生物学活动的证据，经过对突变体材料的观察和仔细分析，强有力的证实了果胶-RALF-FER-LLG1的聚集通过大量的内吞作用，在植物应对高盐和高温胁迫过程中发挥功能。研究人员突发奇想，是否植物在应激过程中也会反过来促进果胶-RALF相分离，经过对高盐和高温条件下植物内吞活动的观测，结合生物和非生物胁迫条件下的植物转录组数据分析，确认了应激反应确实可以触发RALF-果胶相分离和受体分子的聚类活动。

综上所述，该研究发现了FERONIA肽配体RALF-细胞壁成分果胶相互作用驱动的细胞外相分离过程，该过程引起了同源和非同源的受体发生聚集和混杂内吞，进而帮助植物应对复杂的环境变化。这一胞外相分离过程可能是广泛存在于植物界中，而且细胞壁多糖-RALF-FER-LLG1介导的分子机制很有可能是不同信号通路相互协调的共同重要模块。该研究也为进一步研究细胞壁对植物免疫的重要作用提供了线索，为后续深入的分子生物学基础问题研究和高分辨率的物理化学基础问题研究提供了新的思路。

参考文献：

【1】Wasserman, M.D., Wing, B., Bickford, N., Hobbs, K., Dijkstra, P., and Carr, J.A. (2022). Stress responses across the scales of life: toward a universal theory of biological stress. Integr. Comp. Biol. 61, 2109–2118.

【2】Zhang, X., Yang, Z., Wu, D. & Yu, F. (2020). RALF–FERONIA signaling: linking plant immune response with cell growth. Plant Commun. 1, 100084.

【3】Cheung, A.Y. (2024). Feronia: a receptor kinase at the core of a global signaling network. Annu. Rev. Plant Biol.

【4】SMcKenna, J.F., Rolfe, D.J., Webb, S.E.D., Tolmie, A.F., Botchway, S.W.,Martin-Fernandez, M.L., Hawes, C., and Runions, J. (2019). The cell wall regulates dynamics and size of plasma-membrane nanodomains in Arabidopsis.Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 12857–12862.

【5】Du, J., Anderson, C.T., and Xiao, C. (2022). Dynamics of pectic homogalacturonan in cellular morphogenesis and adhesion, wall integrity sensing and plant development. Nat. Plants 8, 332–340.

【6】Du¨ nser, K., Gupta, S., Herger, A., Feraru, M.I., Ringli, C., and Kleine-Vehn, J. (2019). Extracellular matrix sensing by FERONIA and leucine-rich repeat extensins controls vacuolar expansion during cellular elongation in Arabidopsis thaliana. EMBO J. 38, e100353.

【7】Emenecker, R.J., Holehouse, A.S., and Strader, L.C. (2021). Biological phase separation and biomolecular condensates in plants. Annu. Rev. Plant Biol. 72, 17–46.

【8】Abarca, A., Franck, C.M., and Zipfel, C. (2021). Family-wide evaluation of RAPID alkalinization FACTOR peptides. Plant Physiol. 187, 996–1010.

【9】Du, J., Anderson, C.T., and Xiao, C. (2022). Dynamics of pectic homogalacturonan in cellular morphogenesis and adhesion, wall integrity sensing and plant development. Nat. Plants 8, 332–340.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.038