近日，南方科技大学生命科学学院生物系副教授李瑞熙团队在学术期刊 Developmental Cell 上在线发表题为“A condensates-to-VPS41-associated phagic vacuoles conversion pathway controls autophagy degradation in plants”的研究论文，揭示由无膜结构向圈状膜结构转变调控植物细胞自噬降解新机制。

自噬是所有真核细胞共有的蛋白降解途径。植物细胞在自噬体发生过程中保留了许多与其他真核体系相似的保守组分，然而，植物细胞自噬体如何酸化成熟、成熟的自噬体如何转运到液泡中降解尚不清楚。动物细胞中的研究表明 SNARE 复合物、栓系蛋白和小 GTP 酶在促进自噬体与内吞-溶酶体系统融合和货物降解中发挥重要作用，而植物领域尚未报道定位在自噬体的 SNARE 蛋白。栓系蛋白在植物中仅有 HOPS 复合体存在，未知是否参与调控自噬。在动物细胞中，RAB7 GTP酶为关键上游调控因子，招募栓系蛋白并促进自噬体与内吞-溶酶体系统融合，RAB7 是否在植物细胞自噬途径发挥作用尚不清楚。由 ARF-like GTP 酶 ARL8b 和 RAB7 介导的囊泡运输对动物细胞自噬体融合起着重要作用，目前没有报道植物中 ARL8b 同源蛋白参与调控自噬。因此，人们对植物细胞自噬体如何整合到内吞-液泡系统几乎一无所知。

李瑞熙课题组前期在研究中意外发现进化中保守的 HOPS 亚基 VPS41 分布于依附于内质网的无膜凝聚物；该无膜结构可独立于 HOPS 复合体存在且不受上游调控因子 RAB7 控制。在上一篇文章发表后，课题组成员着力挖掘 VPS41 所在无膜结构的细胞学功能，发现它可在各种自噬诱导条件下快速转变为圈状结构并包裹ATG8蛋白。该圈状结构可独立于 HOPS 存在，与所有已知亚细胞器无明显共定位并为酸性。实时动态观察显示，VPS41 先以点状结构与 ATG8 蛋白接触，逐渐转变为圈状结构并包裹ATG8；VPS41 由无膜结构转变为圈状结构的过程伴随自噬进程同时发生（图1A）。免疫电镜结果表明，该圈状结构为双膜细胞器；VPS41 蛋白富集在双膜之间，ATG8 同时分布于双膜之间和内膜内部（图1B）。因为该结构具有独特的超微特征并与已知细胞器无明显共定位，课题组把它命名为 VPS41-associated phagic vacuole (VAPV)。

图1 VPS41在自噬诱导条件下由无膜结构转变为圈状结构VAPV

课题组探索了 VAPV 在植物细胞自噬途径中的作用，首先发现了 VPS41 突变体严重干扰植物细胞自噬降解。团队在进一步研究中发现，VPS41 无膜结构及在自噬诱导条件下形成的 VAPV 不受 RAB7 调控；RAB7 途径对植物细胞自噬降解也无明显作用，这与其它真核生物体系存在巨大差异。进一步研究发现， ARL8b 同源蛋白 ARLA1s 是促进 VPS41 形成无膜结构的上游调控元件，而 SNARE 蛋白是促进 VPS41 从点状结构转变为 VAPV 的关键调控因子。当这一过程不能正常进行时，自噬体可以产生但无法进入液泡降解，PE 偶联的 ATG8 大量积累；GFP-ATG8 在自噬诱导下的切割程度显著降低，突变体对缺碳和缺氮胁迫超敏感。因此， VPS41 从无膜结构转变为 VAPVs 的途径对植物细胞自噬降解至关重要。课题组也发现了形成 VAPV 前的中间结构。在该结构中，MVB 正与即将封口的隔离膜融合，暗示 VPS41 可能通过招募 SNARE 蛋白促进 MVB 与晚期隔离膜融合并最终形成 VAPV。课题组进一步探索该途径与经典自噬途径的关联，发现 VPS41 由点状结构转变为 VAPVs 的过程依赖于经典自噬途径，而 ARLA1s 突变体中会产生大量结构异常的自噬体。因此，VPS41 从无膜结构转变为 VAPVs 的过程很可能是植物细胞自噬进程的固有组成部分。

最终工作模型如下：在正常生长条件下， ARLA1s 促进了 VPS41 形成无膜结构。在自噬诱导条件下，VPS41 快速失去凝聚物特征转变为点状结构并结合到发展中的隔离膜上。伴随自噬进程，VPS41 逐渐促进晚期隔离膜与 MVB 融合形成酸性细胞器 VAPV，这一过程依赖于经典自噬途径和 SNARE 蛋白（图2）。因此，植物细胞隔离膜发展和与酸性细胞器融合形成成熟自噬体可能是一个合二为一的过程。

图2 工作模型

南方科技大学生命科学学院已毕业博士研究生蒋栋、在站博士后何艺林为论文共同第一作者，李瑞熙为论文唯一通讯作者，南方科技大学为第一单位，香港中文大学教授姜里文和北京师范大学教授张毅为课题合作方。中国科学院生物物理研究所张宏院士、南方科技大学副教授赵燕在课题发展和文章撰写过程中多次提供宝贵建议。本项目得到了国家自然基金面上项目、自然基金青年项目、深圳市面上项目、深圳市稳定支持项目和深圳市重点实验室项目的支持。

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

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：曾昱雯