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Plant Cell 南開大學李磊團隊在植物自噬領域取得新進展
來源：南開大學 2022-07-01
導讀：近日，南開大學李磊團隊在植物自噬領域取得新進展，相關研究成果在線發表于The Plant Cell上。
蛋白質是生命活動的基本結構和功能大分子，蛋白質降解是調控其穩態的重要一環。生命活動過程中產生錯誤折疊或受到損傷的蛋白質必須及時清理，才能維持細胞的正常工作狀態；正常功能蛋白質同樣需要降解下調豐度，從而實現生長發育過程中細胞的分化和功能轉換。真核生物自噬的失活會引起細胞內蛋白質的累積，影響細胞的正常功能，引起包括人類神經退行性疾在內的疾病，并引起植物早衰，應對營養缺乏惡劣環境能力減弱等問題。發現自噬蛋白質底物并闡明其選擇性降解機制是重要的生物學問題。南開大學生命科學學院李磊教授與澳大利亞西澳大學Harvey Millar教授及美國威斯康辛大學Marisa Otegui教授組成國際聯合科研團隊，利用穩定同位素代謝標記和質譜技術創建的蛋白質周轉率分析平臺，并結合細胞生物學、代謝組學分析和生物化學多重實驗證據，系統比較了模式植物擬南芥蛋白質周轉率在野生型和自噬突變體之間的差異，發現了新的自噬降解蛋白質底物。研究成果近日以Defects in autophagy lead to selective in vivo changes in turnover of cytosolic and organelle proteins in Arabidopsis為題在線發表于The Plant Cell。
自噬失活會引起其底物蛋白質的累積，因此蛋白質豐度的上調被廣泛用于自噬底物的發現。然而，自噬失活會引起細胞轉錄組、代謝組和蛋白質合成/降解途徑的廣泛變化，早期已有研究發現負責蛋白質合成的核糖體在自噬突變體內發生累積，這些變化也會引起蛋白質合成的激活而造成蛋白質豐度的上調。因此，以蛋白質豐度的上調作為發現自噬底物的策略會造成假陽性現象。蛋白質周轉率測定因為能直接反映自噬降解對其底物降解的影響而成為發現自噬蛋白質底物的更優策略。擬南芥自噬突變體atg11和atg5與野生型相比，可分為四種不同的蛋白質豐度和周轉率變化模式，四種變化模式在細胞器和亞細胞組分分布不同。李磊教授研究團隊通過蛋白質周轉率分析平臺，系統比較分析了模式植物擬南芥野生型和自噬突變體atg5和atg11的蛋白質豐度和周轉率，發現不到一半的豐度上調的蛋白質降解率降低（圖1）。蛋白質的豐度和降解率協同分析發現122種蛋白質在自噬突變體發生累積并且降解發生了下調，其中包括此前已經證實的自噬底物核糖體、蛋白酶體和線粒體等細胞器。值得注意的是，該研究發現了此前在植物細胞中沒有報道的新的自噬降解蛋白質底物，包括糖酵解過程多種蛋白酶、分子伴侶CCTs和其它蛋白質（圖2），為將來深入研究其自噬降解的識別機制奠定了基礎。
擬南芥自噬突變體atg11和atg5與野生型相比，56種周轉率降低并且豐度上升作為鑒定自噬調控的蛋白質底物。該研究進一步通過的細胞生物學和生物化學自噬底物鑒定策略，對新發現的自噬底物糖酵解酶FBA8進行了進一步驗證，發現熒光標記的FBA8可以進入到自噬小體和自噬小泡中，而抑制液泡酸化的抑制劑可有效的下調其自噬降解（圖3）。此外，對自噬核心蛋白質ATG5和ATG11功能失活突變體進行了比較，發現ATG11對線粒體和葉綠體的蛋白質降解具有更顯著的調控作用，而在ATG5功能突變體內發現了BFA小體類特殊膜結構，表明ATG5和ATG11在自噬降解以及對細胞內其它囊泡運輸途徑的特異性調控，為深入研究其工作機制提供了前提。此外，該研究通下調磷含量對擬南芥進行處理，證實了磷饑餓可以有效的激活自噬，不過磷饑餓對自噬蛋白質的降解過程影響是輕微的，僅有少數蛋白質的降解被激活，可作為磷饑餓條件下的特征性靶標蛋白質用于磷缺乏相關研究。該研究綜合透射電鏡細胞生物學分析，蛋白質組學，代謝組學和生化分析，在模式植物擬南芥系統解析了自噬降解對蛋白質降解及其它細胞內蛋白運輸和降解的調控，并對發現的新現象進行了深入的探討，為植物細胞自噬降解調控的進一步深入機制研究提供了前提。通過AZD8055激活自噬流，并使用液泡酸化抑制劑ConA處理，新發現自噬底物果糖1.6二磷酸醛縮酶（FBA8）進入自噬小體并通過液泡降解。生命科學學院李磊教授是該文的第一兼共同通訊作者，課題組研究生秦宇和陳志蕊參與了該研究工作。李磊教授2018年入選南開大學“百青計劃”，該項目得到國家自然基金委、天津市科技局、南開大學細胞應答交叉中心和雜交水稻國家重點實驗室（武漢大學）開放基金的支持。論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac185
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