Cell | 泛素相关修饰因子Urm1介导应激依赖性相分离

撰文 | 春晓

应激 （Stress） 将蛋白质组的完整性置于危险之中，热休克反应维持蛋白质稳定性是真核细胞应对这种应激的保守策略，热休克反应将多种翻译因子和非翻译mRNA分配到细胞质应激颗粒（SGs） 中。液-液相分离被认为是生物分子凝聚体包括SGs形成的基础，热应激和饥饿导致细胞酸化，诱导凝聚体形成，特定的SGs成分在pH酸性条件下相分离。

泛素和泛素相关修饰因子在细胞应激反应的多个方面发挥作用，相比其他泛素相关修饰因子，泛素相关修饰因子1（Urm1） 的作用仍然是个谜。Urm1作为硫载体，用于tRNA的硫化，在翻译过程中增强密码子-反密码子的配对，并在氧化应激下作为赖氨酸和丝氨酸导向的蛋白质修饰因子，通过E1样酶Uba4将硫转移到Urm1的C末端来激活，且不依赖于E2和E3酶。

Urm1修饰如何在应激条件下调控生物分子凝聚体的组成，从而介导相分离过程，还有待进一步理解。近日，来自德国马克斯普朗克生物化学研究所的Sae-Hun Park、Manajit Hayer-Hartl和F. Ulrich Hartl研究小组在Cell杂志上发表题为Stress-dependent condensate formation regulated by the ubiquitin-related modifier Urm1的研究论文 ，这篇文章发现在热应激或饥饿条件下，靶蛋白的Urm1修饰能够增强可逆蛋白凝聚物的形成，Uba4与Urm1相分离，可以在没有专用E2和E3酶的情况下进行局部的Urmylation（模素化）。Urmylation是一种由泛素样修饰物Urm1介导的翻译后修饰，促进靶蛋白的应激依赖性相分离，以确保应激恢恢复和细胞存活（图1）。

图1. Urm1介导的翻译后修饰。

酿酒酵母在30℃的对数期细胞中，蛋白质Urm1化程度较低，然而，在37℃-46℃的热应激（HS）条件下暴露15分钟，55 kDa以上的Urm1化蛋白质发生积累，Urm1修饰的蛋白质大部分是不溶的，而大多数泛素修饰的蛋白质仍然是可溶的。应激条件诱导了Urmylation，同时增加了Urm1的水平。

作者从细胞不溶性组分中分离了Urm1靶蛋白进行LC-MS/MS，大部分Urm1的靶标是RNA结合蛋白 （RBPs） ，Urm1共价相互作用体包括多种SGs成分，表明一部分Urm1靶蛋白定位于SGs中。大多数在应激下被Urm1修饰的蛋白质都在不溶性组分中被检测到，包括形成细胞质或核凝聚物的多种因子。Urm1修饰赖氨酸和丝氨酸残基有利于靶向蛋白内的结构化区域。

为了观察Urm1的定位，作者表达了来自其内源性启动子的mNG-Urm1。在30℃的基础生长条件下，mNGUrm1呈弥漫性分布，在HS（15分钟，37℃-46℃） 后，大多数细胞在几分钟内形成了细胞质和核mNG-Urm1病灶，随着HS的加剧，病灶的数量和大小都在增加，Urm1与靶蛋白的共价和非共价相互作用共同促进了凝聚物的形成。Urm1和Uba4在应激下都会聚集到细胞质和核，具有应激诱导的凝聚物的特性。

Urm1与未组装的核糖体蛋白和核糖体组装因子在核仁处共凝聚，HS下形成的Urm1在核内主要位于核仁周围，在细胞质内与SGs共定位，Urm1的E1样酶Uba4也积聚在SGs中。Urm1修饰通过将蛋白质分割成凝聚体，进而促进蛋白质分配到相分离的凝聚物中，这一过程由尿苷化作用辅助实现。通过模拟被尿苷化的底物，将可溶性蛋白融合到Urm1的C末端，发现Urm1-融合蛋白Urm1-20Q-GFP和Urm1-Pgk1-GFP在HS条件下能够靶向核仁凝聚物和SGs，而单独的20Q-GFP和Pgk1-GFP则呈弥漫性分布。此外，Urm1融合蛋白与多种经历应激诱导相分离的RBPs存在相互作用，Urm1的共价和非共价蛋白相互作用共同促进了凝聚物的形成，从而保护蛋白质免受降解。

应激条件会引发细胞环境的酸化，细胞内酸化是Urm1和靶蛋白有效结合所必需的。酸性pH值是Urm1自组装的重要线索，一个Urm1分子的带正电表面与相邻分子的带负电表面接触，表明存在一个用于形成凝聚物的相互作用表面。有趣的是，Uba4也表现出与Urm1相似的内在相分离能力，与pH值有关，应激引起的细胞pH下降会触发Urm1的自聚及其与靶蛋白和Urm1结合酶Uba4的相互作用，应激敏感蛋白的Urmylation促进它们积累到应激颗粒和核凝聚体中。

应激依赖的Urm1积累以及蛋白质之中Urmylation修饰的生理意义是什么？通过分析HS条件下的生长情况，发现Urm1的缺失与Pub1 （多聚腺苷酸化RNA结合蛋白1） 的缺失相结合时，会导致严重的生长缺陷，尤其是在高温条件下。这种缺陷并非由tRNA硫化所引起，而是与SGs的组装缺陷有关。Urm1的缺失导致SGs形成减少，这在Urm1与Pub1双缺失的细胞中更为明显。缺乏Urm1的酵母细胞表现出凝聚缺陷，应激恢复能力降低，Urm1作为一种可逆的分子“粘合剂”，在细胞应激下驱动功能关键蛋白质的保护性相分离。

图2. Urm1在凝聚物形成过程中的作用模型。

综上所述，在正常生长条件下，泛素样修饰物Urm1介导tRNA硫代化，tRNA的硫代化对于核糖体上有效的mRNA解码至关重要（图2A）。在这项研究中，作者发现在应激条件下，Urm1的功能是增强生物分子凝聚物的形成（图2B），细胞应激与细胞pH值下降有关，Urm1上调并靶向SGs和核仁，Urm1修饰的SGs蛋白包括Ola1、Hcr1、Pat1和Sup45，Urm1修饰的核仁凝聚物蛋白包括RpL/S、Rcm1、Ett1和Efg1，核仁凝聚物积累Hsp40伴侣蛋白Sis1。应激依赖性酸化会触发Urm1与E1样酶Uba4的相分离，从而使Urm1与靶蛋白结合。Urm1、Uba4和靶蛋白形成共凝聚物，其中Urm1对靶蛋白的共价修饰增强（图2C）。缺乏Urm1的细胞表现出凝聚物缺陷，应激恢复能力受损。

这篇论文做出了Urm1在应激下促进凝聚物形成的模型。然而，Urm1调节相分离的分子细节还需要更深入的工作才能了解。另外，成像实验的技术限制可能令人低估了共价修饰在Urm1生理学中相对于相分离的作用。Urm1识别并与凝聚物形成的蛋白非共价结合值得进一步研究。最后，如何逆转Urmylation的问题还需要未来的实验鉴定Deurmylase来解决。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.06.009

制版人：十一

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