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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物質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驅動，其起始和形成有著非常復雜的調控機制，在各類生物中的機制也不盡相同。已經發現植物中細胞自噬的發生受ATG1-ATG13激酶復合物的精密調控：在營養充足的條件下，ATG13蛋白由于被蛋白激酶快速磷酸化，抑制細胞自噬的發生；當受到營養缺乏等脅迫時，ATG13蛋白被去磷酸化，誘導細胞自噬以便植物應對不良環境。但參與調控該重要過程的植物蛋白磷酸酶多年來一直是一個謎。

近日，植物學國際權威期刊The Plant Cell 發表了蘭州大學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），發現植物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，調控ATG1-ATG13激酶復合體的磷酸化狀態，啟動了植物細胞自噬的發生。該重要發現為深入理解植物細胞自噬發生的分子機理提供了重要證據和思路。

圖1. 缺乏至少7個TOPP成員的植株對碳饑餓非常敏感。

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，發現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早衰，與發現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調控細胞自噬的分子機制，研究人員通過質譜技術高通量篩選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為丙氨酸，模擬去磷酸化狀態（ATG13a18A），顯著提高了細胞自噬，增強了植物對缺碳的耐受性；而將其全部突變為天冬氨酸模擬ATG13a磷酸化狀態（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）。研究還發現，模擬去磷酸化狀態的ATG13a18A與ATG1a 的相互作用顯著增強；而模擬磷酸化狀態的ATG13a18D與 ATG1a 的結合減弱；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的磷酸化狀態調控了激酶復合體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

該研究首次發現植物 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生的調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，所以本發現也有望應用于農業生產提高作物抗逆性能。

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，調控了細胞許多重要的生命活動。侯歲穩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調控赤霉素信號通路的機理。隨后發現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境（如光和病原物侵害等）中發揮著重要的調控功能，系列成果多次發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，還在開展重要農作物中TOPP的基因編輯工作，以期培育抗逆、抗病農作物新品種。

本研究中侯歲穩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費的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac251