Sci Adv︱北京大学郭强/林杰团队合作揭示应激颗粒的冷冻原位结构

应激颗粒（Stress Granules, SGs）是细胞在应对氧化应激、温度变化或病毒感染等压力时通过液-液相分离组装形成的动态无膜细胞器，其主要成分包括翻译停滞的mRNA、翻译调控因子以及多种影响mRNA命运的RNA结合蛋白。已有报道显示应激颗粒具有重要的生理意义，其功能异常与包括神经退行性疾病在内的多种疾病相关。应激颗粒的形成通常伴随着全局翻译的抑制，但其精确的形成过程、调节机制及生物学功能仍未完全明确，这在一定程度上受限于对其精细结构了解的不足。近年来发展的冷冻电子断层成像技术可对细胞内的亚细胞结构进行高分辨原位成像，但由于缺乏明确边界和明显内部特征，对包括应激颗粒在内的无膜细胞器的原位结构解析依然十分有限。

近日，北京大学、北大-清华生命科学联合中心郭强课题组与林杰课题组在《Science Advances》发表了题为“Translation Landscape of Stress Granules”的研究论文。该研究以G3BP1-EGFP荧光标记的HeLa细胞为模型，借助课题组参与开发的高精度冷冻光电联合（cryogenic correlated light, ion and electron microscopy，cryo-CLIEM）技术、冷冻聚焦离子束（cryogenic focused ion beam，cryo-FIB）技术和冷冻电子断层成像（cryogenic electron tomography，cryo-ET）技术，在生理状态下对亚砷酸钠及热激诱导的应激颗粒进行了多尺度原位结构解析，首次实现了对细胞内应激颗粒的原位可视化和三维重构，系统揭示了其内部翻译相关组分的组成、空间分布与功能状态，为理解应激颗粒在应激响应中的结构功能关系提供了关键证据。

结果显示，应激颗粒呈不规则形态，并未发现其与细胞骨架、有膜细胞器的特异性互作，应激颗粒内部可见稀疏分布的核糖体颗粒。通过子断层平均，鉴定出包括翻译预起始复合物PIC、40S小亚基、60S大亚基和80S在内的多种核糖体组分。高分辨结构分析表明，绝大多数80S核糖体处于翻译失活状态，同时PIC缺失eIF2-GTP-tRNA三元复合物（Ternary Complex，TC），符合eIF2α磷酸化引起的起始阻滞。系统分类和统计显示，尽管应激颗粒内部和胞质的80S核糖体不同构象比例整体相似，但绝对数量上，应激颗粒特异性富集40S与PIC，同时排斥80S，导致核糖体亚基比例失衡。结合生化和组学数据，发现应激条件下60S可能选择性降解，而40S和PIC因被包裹在应激颗粒中而获得保护。在G3BP1/G3BP2双敲细胞中，相同的氧化应激条件同样导致翻译抑制，却无法产生应激颗粒，继而导致对40S和PIC保护效应的消失。这些结果表明应激颗粒的形成是翻译抑制的结果，其核心功能在于隔离和保存40S/PIC，为应激解除后的翻译重启提供储备。此外，本研究进一步对热应激条件下诱导的应激颗粒开展研究，结果表明应激颗粒同样表现出40S/PIC富集的分布模式，提示该机制具有保守性。

与此同时，构建了基于相场理论的计算模型，将翻译反应与相分离过程结合，以定量再现应激颗粒的形成及核糖体亚基分布。在氧化应激条件下，PIC和60S亚基与mRNA的结合速率下降，致使自由mRNA显著增加，并通过与G3BP1/2的相互作用诱导应激颗粒组装。在已知40S/PIC与G3BP1/2存在弱吸引、60S/80S与G3BP1/2存在排斥的条件下，不仅成功重现了相分离过程，也再现了胞质中核糖体分布模式。结果显示，40S/PIC在应激颗粒中富集而80S被排斥可能由热力学机制驱动，而胞质中60S含量的差异提示其在应激颗粒形成后发生选择性降解，为理解应激颗粒的动态调控提供了理论依据。

图1. 冷冻光电联合揭示应激颗粒的原位结构

总的来说，了解应激颗粒的分子结构和细胞环境对于全面理解其确切功能至关重要。此项研究结果表明，应激颗粒对全局翻译调控的影响有限，但能保护小核糖体亚基和预起始复合物免受降解。基于相场模型的数值模拟准确再现了应激颗粒内外核糖体组分的空间分布，揭示了这一过程所遵循的热力学原理。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady6859