Plant Cell | 中山大学肖仕和清华大学谢道昕团队合作揭示植物SnRK1调控自噬的新机制

自噬（autophagy）是真核细胞中高度保守的物质降解与循环利用过程，与细胞的营养状态密切相关。正常条件下植物细胞的自噬活性维持在很低的水平；一旦遭遇营养匮乏等逆境，自噬便被迅速诱导，把失活的蛋白和受损的细胞器包裹进双层膜结构的自噬体（autophagosome）运往液泡进行降解，以维持细胞代谢稳态。自噬体的形成需依次经过激活起始、成核、膜延伸和闭合等步骤，其中“起始”步骤是决定自噬通量的限速关卡。植物细胞能量感受器SnRK1此前已被证明参与自噬体成核与闭合等多个环节，然而它能否以及如何调控自噬的起始过程，其分子机制至今尚不清楚。

近日，中山大学肖仕团队联合清华大学谢道昕院士团队在The Plant Cell上发表了题为The energy sensor SnRK1 promotes starvation-induced autophagosome formation by modulating ATG13a phosphorylation in Arabidopsis的研究论文，揭示了植物细胞能量感受器SnRK1通过直接结合并磷酸化自噬起始复合体的关键组分ATG13a，抑制其泛素化降解、促进ATG1a的磷酸化，进而驱动自噬体形成并增强植物耐饥饿能力的分子机制。

该研究综合运用免疫共沉淀、双分子荧光互补、酵母双杂交和体外pull-down等多种蛋白互作手段，系统检测KIN10（SnRK1激酶复合物催化亚基，发挥主要激酶活性）与自噬起始复合体各组分的结合关系，以期明确其直接作用的靶标。结果显示，KIN10与ATG13a直接结合，而非ATG1a。随后，研究进一步通过体内、体外磷酸化实验和质谱鉴定证实，活化的KIN10能显著提高ATG13a的磷酸化水平；质谱分析共锁定十个丝氨酸位点，将其全部突变为丙氨酸后，ATG13a的磷酸化水平大幅下降。在此基础上，研究进一步整合泛素化分析、蛋白稳定性检测与遗传学手段，解析这十个磷酸化位点的生理功能。结果表明，KIN10介导的磷酸化直接影响ATG13a的蛋白稳定性：磷酸化位点突变体蛋白ATG13a10A的泛素化水平显著高于野生型，在营养缺乏条件下降解更快，表明KIN10介导的磷酸化通过抑制泛素–蛋白酶体途径稳定ATG13a。值得注意的是，这种磷酸化的作用并不局限于稳定蛋白，体外激酶实验显示，只有经KIN10磷酸化修饰的ATG13a才能显著提升ATG1a的磷酸化水平；此外，本研究利用AlphaFold3预测了KIN10–ATG13a–ATG1a复合物的三维结构，提示ATG13a的磷酸化可改变复合物构象、提高KIN10与ATG1a之间的亲和力，以上结果表明，表明磷酸化的ATG13a在KIN10与ATG1a之间起到了“桥梁”作用（图1）。

图1. KIN10直接结合并磷酸化ATG13a，稳定该蛋白并促进ATG1a的磷酸化

为评估该磷酸化模块的生理学意义，本研究构建了UBQ10pro:ATG13a10A/atg13ab（atg13ab ATG13a10A）转基因株系，并与atg13ab突变体、野生型（WT）及UBQ10pro:ATG13a/atg13ab（atg13ab ATG13a）株系在正常条件、缺碳（C−）和缺氮（N−）条件下进行平行比较。结果表明，磷酸化位点突变体ATG13a10A株系在缺碳、缺氮胁迫下的存活率和叶绿素含量均显著低于ATG13a株系，生长受抑更为严重并出现叶片提前衰老，表明KIN10介导的ATG13a磷酸化是植物维持耐营养饥饿能力所必需的（图2）。

图2. KIN10介导的ATG13a磷酸化增强植物对营养匮乏的耐受能力

综合上述结果，该研究提出了一个工作模型（图3）：营养充足时，KIN10的活性受T6P、PP2C和FLZ等因子抑制，被TORC1磷酸化的ATG13a从ATG1a上解离并经26S蛋白酶体降解，自噬维持在基础水平；营养匮乏时，KIN10被迅速激活并多位点磷酸化ATG13a，一方面抑制其泛素化降解、提高蛋白稳定性，另一方面促进ATG1a的磷酸化，从而启动自噬体形成。

图3. KIN10–ATG13a–ATG1a模块调控植物自噬的工作模型

该研究首次将植物细胞能量感受器SnRK1与自噬起始核心组分ATG13a直接联系起来。尤为重要的是，与哺乳动物中AMPK直接磷酸化ULK1不同，植物SnRK1直接结合的是ATG13a而非ATG1a，提示植物在能量信号与自噬起始的偶联上可能采用了不同的调控策略。这些发现为理解植物如何协调能量状态与自噬提供了新的视角，也为作物抗逆性的遗传改良提供了潜在的分子靶点。

中山大学博士后王林娜和清华大学已毕业博士生王伟丞为论文共同第一作者，中山大学肖仕教授和清华大学谢道昕院士为论文通讯作者，香港中文大学姜里文教授对本研究做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag314