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前沿進展 | 侯歲穩(wěn)教授課題組發(fā)現(xiàn)調(diào)控植物細胞自噬的蛋白磷酸酶
研究背景
細胞自噬是真核生物在應對各種逆境及衰老過程中，通過自我降解為細胞提供營養(yǎng)物質(zhì)的重要生命活動過程，是生命科學的前沿熱點研究領域。細胞自噬由眾多的自噬蛋白ATG驅(qū)動，其起始和形成有著非常復雜的調(diào)控機制，在各類生物中的機制也不盡相同。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物中細胞自噬的發(fā)生受ATG1-ATG13激酶復合物的精密調(diào)控：在營養(yǎng)充足的條件下，ATG13蛋白由于被蛋白激酶快速磷酸化，抑制細胞自噬的發(fā)生；當受到營養(yǎng)缺乏等脅迫時，ATG13蛋白被去磷酸化，誘導細胞自噬以便植物應對不良環(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謎。
圖1. 缺乏至少7個TOPP成員的植株對碳饑餓非常敏感。
近日，中國植物學會植物細胞生物學專業(yè)委員會委員、蘭州大學生命科學學院侯歲穩(wěn)教授課題組在植物學國際權威期刊The Plant Cell 發(fā)表了題為：“Type One Protein Phosphatase Regulates Fixed-Carbon Starvation-Induced Autophagy in Arabidopsis”的最新成果，發(fā)現(xiàn)植物I型蛋白磷酸酶TOPP（Type One Protein Phosphatase）家族可以通過細胞自噬關鍵蛋白ATG13a的去磷酸化修飾，調(diào)控ATG1-ATG13激酶復合體的磷酸化狀態(tài)，啟動了植物細胞自噬的發(fā)生。該重要發(fā)現(xiàn)為深入理解植物細胞自噬發(fā)生的分子機理提供了重要證據(jù)和思路。
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個基因組成，所以單個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遺傳雜交構建了高階突變體，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)控細胞自噬的分子機制，研究人員通過質(zhì)譜技術高通量篩選TOPP的互作蛋白，鑒定到一個啟始細胞自噬的關鍵組分ATG13a，并通過酵母雙雜交、免疫共沉淀等技術驗證了TOPPs與ATG13a之間的相互作用；進一步實驗證明TOPP確實在體內(nèi)能將ATG13a直接去磷酸化（圖2）。深入對ATG13a蛋白進行研究，鑒定到其18 個關鍵的磷酸化位點；將這些位點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），顯著提高了細胞自噬，增強了植物對缺碳的耐受性；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；而模擬磷酸化狀態(tài)的ATG13a18D與 ATG1a 的結(jié)合減弱；相應地，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去磷酸化增強了碳饑餓誘導的細胞自噬，且與 ATG1a 的相互作用更強
該研究首次發(fā)現(xiàn)植物 I型蛋白磷酸酶TOPP 通過對ATG13蛋白去磷酸化促進缺碳誘導的細胞自噬，延緩植物的早衰，為研究植物細胞自噬發(fā)生的調(diào)控機制提供了新思路；同時，由于細胞自噬與植物的抗逆性反應密切相關，所以本發(fā)現(xiàn)也有望應用于農(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)控了細胞許多重要的生命活動。侯歲穩(wěn)教授團隊長期致力植物PP1遺傳功能解析工作，2014年在國際上首次報道了植物PP1調(diào)控赤霉素信號通路的機理。隨后發(fā)現(xiàn)TOPP家族不僅參與了其它重要植物激素信號響應，如生長素和脫落酸等，而且在植物響應各種環(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)表在植物學國際主流期刊PLoS Genetics、Plant Physiology、Plant Journal等，引領了該領域的發(fā)展。目前，該團隊正在進行植物TOPP參與鹽、低溫響應的研究工作，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。該研究得到了國家自然科學基金、蘭州大學長江學者獎勵計劃等經(jīng)費的資助。
個人簡介
侯歲穩(wěn)教授
侯歲穩(wěn)教授主要從事植物氣孔發(fā)育的分子機理和蛋白磷酸酶1的功能等方面的研究。相關研究成果發(fā)表在The Plant Cell、The Plant Journal、New Phytologist等國際科技期刊上。
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