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蘭州大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)調(diào)控植物細(xì)胞自噬的蛋白磷酸酶
細(xì)胞自噬是真核生物在應(yīng)對(duì)各種逆境及衰老過程中，通過自我降解為細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要生命活動(dòng)過程，是生命科學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。細(xì)胞自噬由眾多的自噬蛋白ATG驅(qū)動(dòng)，其起始和形成有著非常復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，在各類生物中的機(jī)制也不盡相同。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物中細(xì)胞自噬的發(fā)生受ATG1-ATG13激酶復(fù)合物的精密調(diào)控：在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，ATG13蛋白由于被蛋白激酶快速磷酸化，抑制細(xì)胞自噬的發(fā)生；當(dāng)受到營(yíng)養(yǎng)缺乏等脅迫時(shí)，ATG13蛋白被去磷酸化，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬以便植物應(yīng)對(duì)不良環(huán)境。但參與調(diào)控該重要過程的植物蛋白磷酸酶多年來一直是一個(gè)謎。
近日，植物學(xué)國(guó)際權(quán)威期刊The Plant Cell 發(fā)表了蘭州大學(xué)研究人員的最新成果：“Type One Protein Phosphatase Regulates Fixed-Carbon Starvation-Induced Autophagy in Arabidopsis”（https://doi.org/10.1093/plcell/koac251），發(fā)現(xiàn)植物I型蛋白磷酸酶TOPP（Type One Protein Phosphatase）家族可以通過細(xì)胞自噬關(guān)鍵蛋白ATG13a的去磷酸化修飾，調(diào)控ATG1-ATG13激酶復(fù)合體的磷酸化狀態(tài)，啟動(dòng)了植物細(xì)胞自噬的發(fā)生。該重要發(fā)現(xiàn)為深入理解植物細(xì)胞自噬發(fā)生的分子機(jī)理提供了重要證據(jù)和思路。
圖1. 缺乏至少7個(gè)TOPP成員的植株對(duì)碳饑餓非常敏感。
由于I型蛋白磷酸酶家族在模式植物擬南芥中由高度冗余的9個(gè)基因組成，所以單個(gè)基因缺失后較難觀察到明顯的缺陷表型。研究人員經(jīng)過多年努力，通過基因編輯等技術(shù)遺傳雜交構(gòu)建了高階突變體，發(fā)現(xiàn)TOPP七重突變體（topp-7m）和八重突變體（topp-8m）在缺碳處理后幼苗出現(xiàn)早衰，與發(fā)現(xiàn)的自噬突變體的表型極為相似（圖1），并且它們的自噬活性都受到了顯著抑制。
為了解析TOPP調(diào)控細(xì)胞自噬的分子機(jī)制，研究人員通過質(zhì)譜技術(shù)高通量篩選TOPP的互作蛋白，鑒定到一個(gè)啟始細(xì)胞自噬的關(guān)鍵組分ATG13a，并通過酵母雙雜交、免疫共沉淀等技術(shù)驗(yàn)證了TOPPs與ATG13a之間的相互作用；進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明TOPP確實(shí)在體內(nèi)能將ATG13a直接去磷酸化（圖2）。深入對(duì)ATG13a蛋白進(jìn)行研究，鑒定到其18 個(gè)關(guān)鍵的磷酸化位點(diǎn)；將這些位點(diǎn)的絲氨酸或蘇氨酸全部突變?yōu)楸彼?，模擬去磷酸化狀態(tài)（ATG13a18A），顯著提高了細(xì)胞自噬，增強(qiáng)了植物對(duì)缺碳的耐受性；而將其全部突變?yōu)樘於彼崮MATG13a磷酸化狀態(tài)（ATG13a18D），只部分恢復(fù)了自噬突變體atg13ab的缺碳敏感表型以及自噬活性（圖3）。研究還發(fā)現(xiàn)，模擬去磷酸化狀態(tài)的ATG13a18A與ATG1a 的相互作用顯著增強(qiáng)；而模擬磷酸化狀態(tài)的ATG13a18D與 ATG1a 的結(jié)合減弱；相應(yīng)地，在去磷酸化缺陷的topp-7m突變體中 ATG13a與ATG1a的相互作用能力確實(shí)減弱了很多，說明 TOPP通過影響 ATG13a的磷酸化狀態(tài)調(diào)控了激酶復(fù)合體ATG1a-ATG13a的形成（圖3）。
圖2. TOPP能將ATG13a去磷酸化
圖3. ATG13a去磷酸化增強(qiáng)了碳饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬，且與 ATG1a 的相互作用更強(qiáng)
該研究首次發(fā)現(xiàn)植物 I型蛋白磷酸酶TOPP 通過對(duì)ATG13蛋白去磷酸化促進(jìn)缺碳誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬，延緩植物的早衰，為研究植物細(xì)胞自噬發(fā)生的調(diào)控機(jī)制提供了新思路；同時(shí)，由于細(xì)胞自噬與植物的抗逆性反應(yīng)密切相關(guān)，所以本發(fā)現(xiàn)也有望應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高作物抗逆性能。
I型蛋白磷酸酶，也稱蛋白磷酸酶1（Protein Phosphatase 1，PP1），是真核生物中重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶之一，調(diào)控了細(xì)胞許多重要的生命活動(dòng)。侯歲穩(wěn)教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力植物PP1遺傳功能解析工作，2014年在國(guó)際上首次報(bào)道了植物PP1調(diào)控赤霉素信號(hào)通路的機(jī)理。隨后發(fā)現(xiàn)TOPP家族不僅參與了其它重要植物激素信號(hào)響應(yīng)，如生長(zhǎng)素和脫落酸等，而且在植物響應(yīng)各種環(huán)境（如光和病原物侵害等）中發(fā)揮著重要的調(diào)控功能，系列成果多次發(fā)表在植物學(xué)國(guó)際主流期刊PLoS Genetics、Plant Physiology、Plant Journal等，引領(lǐng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。目前，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行植物TOPP參與鹽、低溫響應(yīng)的研究工作，還在開展重要農(nóng)作物中TOPP的基因編輯工作，以期培育抗逆、抗病農(nóng)作物新品種。
本研究中侯歲穩(wěn)課題組博士后王秋玲和青年教師秦倩倩為論文的共同第一作者，侯歲穩(wěn)教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、蘭州大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac251
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