Plant Cell | 兰州大学侯岁稳课题组揭示蛋白磷酸酶TOPP调控植物细胞自噬的机制

责编 | 王一

细胞自噬是真核生物在应对各种逆境及衰老过程中，通过自我降解为细胞提供营养物质的重要生命活动过程。自噬由众多的自噬蛋白ATG（AuTophaGy）驱动。植物细胞自噬受ATG1/ATG13激酶复合物的调控，在营养充足的条件下，ATG13处于高度磷酸化状态，自噬被抑制；当营养不足刺激自噬发生后，ATG13被快速去磷酸化【1】。但参与这一重要过程的磷酸酶目前尚未报道。

2022年8月12日，兰州大学侯岁稳教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为“Type one protein phosphatase regulates fixed-carbon starvation-induced autophagy in Arabidopsis” 的研究论文，揭示了I 型蛋白磷酸酶TOPP家族通过介导自噬蛋白ATG13a的去磷酸化动态调控植物细胞自噬，阐明了植物自噬中ATG1-ATG13激酶复合体的磷酸化调控机制，为深入理解植物自噬发生的分子机理提供了重要证据。

I 型蛋白磷酸酶（Type One Protein Phosphatases, TOPPs），也称蛋白磷酸酶 1（Protein Phosphatase 1, PP1），是真核生物中重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶之一，介导多种细胞生命过程【2】。拟南芥TOPP家族包括9个成员（TOPP1-TOPP9），各成员之间高度冗余，侯岁稳课题组长期致力于其功能的研究，已经揭示TOPP参与调控植物赤霉素、生长素、脱落酸等信号通路，以及光形态建成和免疫反应的重要生物学过程【3】。本研究前期发现显性负效应突变体topp4-1在缺碳处理后表现出类似自噬缺陷体的早衰表型，构建七重突变体（topp-7m）和八重突变体（topp-8m），发现其均在缺碳处理后早衰；进一步分析发现使用自噬抑制剂 ConcA (concanamycin A) 处理后，TOPP以点状结构定位于液泡中，与自噬标记蛋白 ATG8e 共定位，并且topp高阶突变体中自噬活性均受到抑制。

为了解析TOPP调控自噬的机制，作者通过质谱高通量筛选TOPP互作蛋白，鉴定到起始自噬的一个关键组分ATG13a可能是TOPP的潜在底物，通过Y2H，pull-down和BiFC验证了TOPP与ATG13a之间的相互作用；并且体内体外实验表明ATG13a能直接被TOPP去磷酸化。作者进一步通过质谱鉴定到 ATG13a 的 18 个磷酸化位点，这些位点都分布在ATG13a 固有无序结构域 IDR（Intrinsically Disordered Region）。为了验证这些位点的功能，作者首先将其中4个保守的磷酸化位点分别模拟点突变A和D并表达于atg13ab突变体背景中，发现该保守的4个磷酸化位点没有显著影响ATG13a的功能。因此作者将这18个磷酸化位点全部突变为A和D，发现ATG13a (18A)显著提高了植物自噬，并增强了植物对缺碳的耐受性；而ATG13a (18D)只部分恢复了atg13ab的缺碳敏感表型以及自噬活性，这表明ATG13a在自噬中的活性主要取决于自身磷酸化位点的数量而非位置。

体内Co-IP实验发现缺碳促进ATG13a与ATG1a的结合，ATG13a (18A)与ATG1a的互作显著增强，而ATG13a（18D）与ATG1a的结合减弱。进一步发现topp-7m-1 中ATG1a与ATG13a的互作被抑制，说明TOPP通过影响ATG13a的磷酸化状态调控复合体ATG1-ATG13的形成。另外还发现TOPP超表达能促进ATG1a的磷酸化，该过程依赖于ATG13a。

TOPP调控自噬的作用模型

综上所述，该研究首次发现 I型蛋白磷酸酶TOPP通过去磷酸化ATG13a促进缺碳诱导的植物细胞自噬，延缓植物在缺碳条件下的早衰，深入揭示了植物TOPP的新功能，为研究植物自噬发生及参与逆境响应的调控机制提供了新的思路，具有重要的科学意义。

侯岁稳课题组博士后王秋玲和青年教师秦倩倩为论文的共同第一作者，侯岁稳教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、兰州大学长江学者等经费的资助。

参考文献：

【1】Suttangkakul, A., Li, F., Chung, T., and Vierstra, R.D. (2011). The ATG1/ATG13 protein kinase complex is both a regulator and a target of autophagic recycling in Arabidopsis. Plant Cell 23: 3761-3779.

【2】Casamayor, A., and Arino, J. (2020). Controlling Ser/Thr protein phosphatase PP1 activity and function through interaction with regulatory subunits. Adv. Protein Chem. Struct. Biol. 122, 231-288.

【3】Zhang, J., Qin, Q., Nan, X., Guo, Z., Liu, Y., Jadoon, S., Chen, Y., Zhao, L., Yan, L., and Hou, S. (2020). Role of protein phosphatase 1 regulatory subunit 3 (PP1R3) in mediating abscisic acid response. Plant Physiol. 184: 1317-1332.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac251