近日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物系副教授李瑞熙團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊?Developmental Cell?上在線發(fā)表題為“A condensates-to-VPS41-associated phagic vacuoles conversion pathway controls autophagy degradation in plants”的研究論文，揭示由無(wú)膜結(jié)構(gòu)向圈狀膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變調(diào)控植物細(xì)胞自噬降解新機(jī)制。

自噬是所有真核細(xì)胞共有的蛋白降解途徑。植物細(xì)胞在自噬體發(fā)生過(guò)程中保留了許多與其他真核體系相似的保守組分，然而，植物細(xì)胞自噬體如何酸化成熟、成熟的自噬體如何轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡中降解尚不清楚。動(dòng)物細(xì)胞中的研究表明 SNARE 復(fù)合物、栓系蛋白和小 GTP 酶在促進(jìn)自噬體與內(nèi)吞-溶酶體系統(tǒng)融合和貨物降解中發(fā)揮重要作用，而植物領(lǐng)域尚未報(bào)道定位在自噬體的 SNARE 蛋白。栓系蛋白在植物中僅有 HOPS 復(fù)合體存在，未知是否參與調(diào)控自噬。在動(dòng)物細(xì)胞中，RAB7 GTP酶為關(guān)鍵上游調(diào)控因子，招募栓系蛋白并促進(jìn)自噬體與內(nèi)吞-溶酶體系統(tǒng)融合，RAB7 是否在植物細(xì)胞自噬途徑發(fā)揮作用尚不清楚。由 ARF-like GTP 酶 ARL8b 和 RAB7 介導(dǎo)的囊泡運(yùn)輸對(duì)動(dòng)物細(xì)胞自噬體融合起著重要作用，目前沒(méi)有報(bào)道植物中 ARL8b 同源蛋白參與調(diào)控自噬。因此，人們對(duì)植物細(xì)胞自噬體如何整合到內(nèi)吞-液泡系統(tǒng)幾乎一無(wú)所知。

李瑞熙課題組前期在研究中意外發(fā)現(xiàn)進(jìn)化中保守的 HOPS 亞基 VPS41 分布于依附于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的無(wú)膜凝聚物；該無(wú)膜結(jié)構(gòu)可獨(dú)立于 HOPS 復(fù)合體存在且不受上游調(diào)控因子 RAB7 控制。在上一篇文章發(fā)表后，課題組成員著力挖掘 VPS41 所在無(wú)膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)它可在各種自噬誘導(dǎo)條件下快速轉(zhuǎn)變?yōu)槿罱Y(jié)構(gòu)并包裹ATG8蛋白。該圈狀結(jié)構(gòu)可獨(dú)立于 HOPS 存在，與所有已知亞細(xì)胞器無(wú)明顯共定位并為酸性。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察顯示，VPS41 先以點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)與 ATG8 蛋白接觸，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿罱Y(jié)構(gòu)并包裹ATG8；VPS41 由無(wú)膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿罱Y(jié)構(gòu)的過(guò)程伴隨自噬進(jìn)程同時(shí)發(fā)生（圖1A）。免疫電鏡結(jié)果表明，該圈狀結(jié)構(gòu)為雙膜細(xì)胞器；VPS41 蛋白富集在雙膜之間，ATG8 同時(shí)分布于雙膜之間和內(nèi)膜內(nèi)部（圖1B）。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的超微特征并與已知細(xì)胞器無(wú)明顯共定位，課題組把它命名為 VPS41-associated phagic vacuole (VAPV)。

圖1 VPS41在自噬誘導(dǎo)條件下由無(wú)膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿罱Y(jié)構(gòu)VAPV

課題組探索了 VAPV 在植物細(xì)胞自噬途徑中的作用，首先發(fā)現(xiàn)了 VPS41 突變體嚴(yán)重干擾植物細(xì)胞自噬降解。團(tuán)隊(duì)在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，VPS41 無(wú)膜結(jié)構(gòu)及在自噬誘導(dǎo)條件下形成的 VAPV 不受 RAB7 調(diào)控；RAB7 途徑對(duì)植物細(xì)胞自噬降解也無(wú)明顯作用，這與其它真核生物體系存在巨大差異。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， ARL8b 同源蛋白 ARLA1s 是促進(jìn) VPS41 形成無(wú)膜結(jié)構(gòu)的上游調(diào)控元件，而 SNARE 蛋白是促進(jìn) VPS41 從點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?VAPV 的關(guān)鍵調(diào)控因子。當(dāng)這一過(guò)程不能正常進(jìn)行時(shí)，自噬體可以產(chǎn)生但無(wú)法進(jìn)入液泡降解，PE 偶聯(lián)的 ATG8 大量積累；GFP-ATG8 在自噬誘導(dǎo)下的切割程度顯著降低，突變體對(duì)缺碳和缺氮脅迫超敏感。因此， VPS41 從無(wú)膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?VAPVs 的途徑對(duì)植物細(xì)胞自噬降解至關(guān)重要。課題組也發(fā)現(xiàn)了形成 VAPV 前的中間結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，MVB 正與即將封口的隔離膜融合，暗示 VPS41 可能通過(guò)招募 SNARE 蛋白促進(jìn) MVB 與晚期隔離膜融合并最終形成 VAPV。課題組進(jìn)一步探索該途徑與經(jīng)典自噬途徑的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn) VPS41 由點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?VAPVs 的過(guò)程依賴于經(jīng)典自噬途徑，而 ARLA1s 突變體中會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)異常的自噬體。因此，VPS41 從無(wú)膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?VAPVs 的過(guò)程很可能是植物細(xì)胞自噬進(jìn)程的固有組成部分。

最終工作模型如下：在正常生長(zhǎng)條件下， ARLA1s 促進(jìn)了 VPS41 形成無(wú)膜結(jié)構(gòu)。在自噬誘導(dǎo)條件下，VPS41 快速失去凝聚物特征轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)狀結(jié)構(gòu)并結(jié)合到發(fā)展中的隔離膜上。伴隨自噬進(jìn)程，VPS41 逐漸促進(jìn)晚期隔離膜與 MVB 融合形成酸性細(xì)胞器 VAPV，這一過(guò)程依賴于經(jīng)典自噬途徑和 SNARE 蛋白（圖2）。因此，植物細(xì)胞隔離膜發(fā)展和與酸性細(xì)胞器融合形成成熟自噬體可能是一個(gè)合二為一的過(guò)程。

圖2 工作模型

南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)博士研究生蔣棟、在站博士后何藝林為論文共同第一作者，李瑞熙為論文唯一通訊作者，南方科技大學(xué)為第一單位，香港中文大學(xué)教授姜里文和北京師范大學(xué)教授張毅為課題合作方。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所張宏院士、南方科技大學(xué)副教授趙燕在課題發(fā)展和文章撰寫(xiě)過(guò)程中多次提供寶貴建議。本項(xiàng)目得到了國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目、自然基金青年項(xiàng)目、深圳市面上項(xiàng)目、深圳市穩(wěn)定支持項(xiàng)目和深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00447-7

供稿：生命科學(xué)學(xué)院

文字：李瑞熙

通訊員：付文卿

主圖：丘妍

編輯：曾昱雯