線粒體自噬在植物中的研究進展

姜雅婷

（天津大學生命科學學院，天津 300072）

線粒體為細胞的生命活動提供所需的大部分能量，線粒體功能障礙會引發(fā)多種疾病。因此，通過線粒體自噬清除衰老、損傷的線粒體，控制線粒體的質(zhì)量和數(shù)量，對于維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)非常重要。線粒體自噬廣泛存在于動物、植物以及酵母中。在過去的研究中，對于酵母和動物線粒體自噬的研究取得了很大進展，但是對于植物線粒體自噬的機制和自噬過程中參與的蛋白還不清楚。本研究綜述了線粒體自噬在植物中的研究進展，包括線粒體自噬相關的受體、蛋白酶以及線粒體自噬在植物中的生物學功能，為后期對于植物線粒體自噬的研究提供一定的基礎。

1 植物中的線粒體自噬

線粒體對于能量代謝、生物合成和細胞死亡的調(diào)控至關重要，并且參與了細胞內(nèi)的應激反應和信號傳導［1，2］。線粒體功能異常會引起多種疾病，比如神經(jīng)退行性疾病、腦損傷［3］、糖尿病［4］等，因此線粒體質(zhì)量控制至關重要。線粒體自噬是細胞中的線粒體降解過程，可以清除功能異?；蚨嘤嗟木€粒體，維持細胞中的線粒體平衡。目前，對于植物的線粒體自噬研究還處于早期階段，但是在多個研究中，已經(jīng)觀察到植物的線粒體自噬現(xiàn)象。

植物自噬的研究主要通過細胞培養(yǎng)進行，在去除培養(yǎng)基的營養(yǎng)物質(zhì)時會造成細胞自噬［5，6］，所以植物自噬的相關研究一直受到限制。不過在植物的超微結(jié)構(gòu)觀察中，看到多種自噬現(xiàn)象，包括線粒體自噬。Toyooka 等［7］在綠豆幼苗的子葉細胞中觀察到，在自噬過程中線粒體被包裹在類似內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的雙膜結(jié)構(gòu)中，這些自噬樣結(jié)構(gòu)會與裂解泡融合，介導線粒體自噬，降解淀粉顆粒和細胞成分。Kwon 等［8］在擬南芥中觀察到，木質(zhì)部導管分子分化后出現(xiàn)許多包裹線粒體的自噬體，說明自噬參與了細胞的分化。Wertman 等［9］在研究一種水生草本植物的程序性細胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育的PCD 后期可以觀察到液泡中有線粒體聚集體出現(xiàn)。Bi 等［10］在研究 ACD5（ACCELERATED CELL DEATH 5）時發(fā)現(xiàn)，擬南芥中ACD5 的突變會造成自發(fā)的PCD，并伴隨著自噬的發(fā)生，在自噬體中存在線粒體活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的增加。Li 等［11］在研究線粒體基質(zhì)蛋白酶 Lon1 時發(fā)現(xiàn)，擬南芥中Lon1 丟失會導致線粒體更新增加，可能是由于線粒體自噬被誘發(fā)。Li 等［12］在研究自噬相關蛋白時還發(fā)現(xiàn)，在擬南芥衰老過長中，線粒體蛋白和線粒體囊泡會通過自噬被降解。植物中的線粒體自噬存在于植物的整個生命活動中，對于植物的生長發(fā)育、衰老死亡都起重要作用。

2 植物的線粒體自噬調(diào)控機制

在植物的自噬研究中，氮饑餓［12］和碳饑餓［13］是應用最廣泛的2 個自噬誘發(fā)條件，說明細胞的營養(yǎng)狀態(tài)可能在植物自噬中起作用。雖然植物的線粒體自噬與哺乳動物、酵母可能在概念上具有相似的機制（圖 1）［14］，植物中的大多數(shù)核心 ATG 基因都是保守的［15，16］，但是植物中的線粒體調(diào)節(jié)因子與哺乳動物和酵母并不保守，而且在哺乳動物和酵母的線粒體自噬中都有特定的參與者，比如ATG32 和PINK1等，在擬南芥中沒有發(fā)現(xiàn)這樣的蛋白［17］。

2.1 哺乳動物線粒體自噬調(diào)控機制

在現(xiàn)有的研究中，關于哺乳動物細胞線粒體自噬機制的研究有很多說法，其中有2 種自噬調(diào)控機制最為經(jīng)典，如圖1 所示。一種機制依賴于線粒體膜電位，在受損的線粒體中膜電位下降，PINK1 在線粒體外膜（Outer Mitochondrial Membrane，OMM）上聚集，通過自磷酸化活化，招募Parkin，并將Parkin和泛素（Ubiquitin，Ub）磷酸化，激活 Parkin 的 E3 泛素連接酶活性，使得線粒體外膜蛋白泛素化，最終導致核心 ATG 蛋白的聚集，引發(fā)線粒體自噬［18，19］。另一種機制由缺氧或解偶聯(lián)劑誘導引發(fā)，線粒體自噬受體FUNDC1 是一個3 次跨膜蛋白，定位于OMM，在缺氧或解偶聯(lián)條件下，招募Ser/Thr 激酶ULK1 到OMM，并與之結(jié)合；ULK1 與 FUNDC1 相互作用，將其Ser17 磷酸化，增強FUNDC1 與自噬相關蛋白LC3的結(jié)合，引發(fā)線粒體自噬［20］。

2.2 酵母線粒體自噬調(diào)控機制

酵母中的線粒體自噬主要由線粒體蛋白ATG32介導，調(diào)控機制如圖1 所示。ATG32 是酵母線粒體自噬特有的蛋白質(zhì)，于2009 年被Klionsky 和Ohsumi實驗室同時發(fā)現(xiàn)，定位于 OMM［21，22］。在受損線粒體中，ATG32 的 Ser114 和 Ser119 磷酸化并作為受體蛋白，招募自噬膜上的ATG8（哺乳動物LC3 的同系物）、ATG11，與之相互作用形成聚合體，啟動線粒體自 噬［23］。 其 中 ，ATG32-ATG11 復 合 物 的 形 成 受ATG32 的 Ser114 磷酸化調(diào)控，ATG11 被酪蛋白激酶（Casein Kinase 2，CK2）磷酸化可以穩(wěn)定 ATG32 與ATG11的相互作用，從而招募線粒體到酵母液泡附近的自噬組裝位點（Phagophore Assembly Site，PAS）［24，25］；ATG32-ATG11 復合物與核心ATG 蛋白一起產(chǎn)生自噬膜，ATG32 與ATG8 相互作用可以促進自噬膜吞噬線粒體，使線粒體被降解掉［26，27］。

2.3 植物線粒體自噬調(diào)控機制

對于植物線粒體自噬的研究，目前大多數(shù)集中在擬南芥和簡單藻類中［28］。Li 等［12，29］在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了酵母ATG11 的同系物，并證明其與線粒體自噬相關。擬南芥ATG11 雖然與酵母ATG11、哺乳動物FIP200（分子大小為200 kD 的黏著斑激酶家族相互作用蛋白）同源，但是同源性較低，分別為18%和15%［12］。 擬 南 芥 ATG11 蛋 白 結(jié) 構(gòu) 中 包 含 ATG11/coiled-coil 基序和 ATG7-like 結(jié)構(gòu)域，這 2 個結(jié)構(gòu)分別是這2 個蛋白家族的特異性結(jié)構(gòu)，所以擬南芥ATG11 與 這 2 種 蛋 白 在 功 能 上 具 有 相 似 性［12］。ATG11 蛋白的一個顯著特征是能夠與其他ATG 組分的多種組合相互作用，這意味著它可以作為主要支架來幫助組裝和整合 ATG 系統(tǒng)［30］。

在擬南芥中，ATG11與ATG8、ATG13和ATG101直接相互作用，與ATG1 通過ATG13 間接相互作用［12，29］，如圖 1 所示。其中，自噬相關 ATG1-ATG13激酶復合物是一種上游調(diào)節(jié)因子，由Ser/Thr 激酶ATG1（哺乳動物中ULK1/2 的同系物）、其激酶活性調(diào)節(jié)因子ATG13 和一些起支架和調(diào)節(jié)作用的輔助蛋白組成，該復合物通過ATG1 和ATG13 磷酸化狀態(tài)的變化，將代謝和環(huán)境信號與自噬小泡聯(lián)系起來，調(diào)控自噬水平［31，32］。在擬南芥中，ATG11是ATG1/13復合物的輔助蛋白，它可以作為支架將復合物與自噬線粒體以及自噬膜連接起來，并促進囊泡向液泡的傳遞，是自噬小泡形成的必要條件，參與線粒體的選擇性自噬［29］。

在受損線粒體中，激活的ATG1/ATG13 復合物與輔助蛋白ATG11、ATG101 通過去磷酸化的方式結(jié)合，并被招募到線粒體表面，與線粒體外膜或內(nèi)膜受體蛋白相互作用，誘導 PAS 的形成［17］。ATG8 通過PE（Phosphatidyl ethanolamine，磷脂酰乙醇胺）的脂化作用修飾自噬泡，形成 ATG8-PE 復合物［33］。ATG8-PE 復合物修飾成熟的自噬體膜是觀察植物體中自噬體形成的良好標記［33-35］。ATG11、ATG1 和膜受體樣蛋白分別與ATG8-PE 修飾的自噬泡結(jié)合，形成自噬體，引發(fā)線粒體的傳遞與降解［12，17］。

圖1 線粒體自噬調(diào)控機制模型

3 植物中的線粒體自噬受體

在線粒體自噬的研究中，線粒體表面的特定蛋白質(zhì)作為受體，招募自噬相關組分到線粒體，并與之相互作用，誘發(fā)線粒體自噬的發(fā)生。哺乳動物線粒體表面中的PINK1、FUNDC1 以及酵母線粒體表面的ATG32 都是自噬線粒體的OMM 受體，在自噬中作為降解標記。但是到目前為止，在植物中還沒有發(fā)現(xiàn)有蛋白質(zhì)有類似功能。由于ATG8 是自噬機制的核心蛋白之一，Xie 等［36］開發(fā)了一種生物信息學工具hfAIM 來預測可能與ATG8 有相互作用的蛋白，含有與ATG8 相互作用基序的線粒體膜蛋白可能是線粒體受體蛋白，利用這種方法可以尋找植物中的線粒體自噬受體。

在擬南芥中鑒定出的42 種線粒體外膜蛋白中［37］，根據(jù)預測其中與ATG8 存在相互作用的有12種，包括己糖激酶1（Hexokinase 1），電壓依賴性陰離子通道 2（Voltage-Dependent Anion Channel，VDAC2），移位酶TOM20-2、TOM20-3、TOM20-4 以及TOM40等［17］。在哺乳動物細胞中，己糖激酶可以通過抑制TOR 自噬通路來調(diào)控自噬水平［38］；在哺乳動物的PINK1/Parkin 介導的線粒體自噬途徑中，VDAC 是Parkin 泛素化線粒體蛋白的重要靶點［39］；移位酶TOM 作為線粒體外膜上的通道蛋白，介導了自噬蛋白如 PINK1 的導入［40，41］。

在OMM 破裂，線粒體內(nèi)膜（Inner Mitochondrial Membrane，OMM）暴露出來的情況下，IMM 蛋白也會作為受體參與線粒體自噬。在擬南芥已經(jīng)鑒定出的213 種 IMM 蛋白中［42，43］，預測與 ATG8 有相互作用的蛋白質(zhì)有36 種［17］。其中的線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶（Translocase of Inner Mitochondrial Membrane，TIM）TIM17、TIM23，NADH-泛醌氧化還原酶（NADHUbiquinone Oxidoreductase），ATP 依賴的鋅金屬蛋白酶（ATP-Dependent Zinc Metalloprotease）FtSH 11、FtSH 4 以及線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運蛋白（Mitochon?drial Calcium Uniporter Protein）MCU1、MCU6 等都發(fā)現(xiàn)與線粒體自噬相關［44-47］，而這些蛋白質(zhì)是如何調(diào)控線粒體自噬需要進一步探究。

4 植物中的線粒體自噬蛋白酶

蛋白酶是線粒體自噬的重要組分，在線粒體自噬的多種途徑中都有蛋白酶的參與。菱形蛋白酶是一類保守的膜內(nèi)蛋白酶，線粒體中的菱形蛋白酶參與了線粒體形態(tài)和功能的調(diào)節(jié)［48-50］。在植物的葉綠體和線粒體中也存在一些菱形蛋白酶［51，52］。在擬南芥線粒體中鑒定出的菱形蛋白酶AtRBL12，AtRBL12不能介導其他緊密相關的菱形蛋白酶所識別的底物的加工［51］。在擬南芥葉綠體中鑒定出2 種菱形蛋白酶AtRBL8 和AtRBL9，這2 種蛋白酶的單或雙突變體中均未觀察到劇烈的表型變化［52］。因此，沒有證據(jù)表明葉綠體或線粒體菱形蛋白酶在植物自噬中起積極作用。

在擬南芥中的線粒體蛋白酶FtSH4 的缺失會導致嚴重的葉片衰老、細胞死亡和自噬水平升高［46］。動物蛋白酶HTRA2/Omi/PARK13 是線粒體自噬PINK1 的底物，擬南芥線粒體蛋白酶AtPARK13 與人類PARK13 相似，研究顯示AtPARK13 水平的升高可以提高擬南芥的耐熱性，但是還沒有證據(jù)表明其參與了植物的線粒體自噬［53］。

5 線粒體自噬在植物中的生物學功能

線粒體自噬作為細胞中重要的生理學過程，參與了細胞的能量代謝、存活、信號傳導和死亡等生命活動的調(diào)控，對于維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)十分重要。

5.1 線粒體自噬與信號轉(zhuǎn)導

在氧化應激誘導下的線粒體自噬，由于細胞中的通用活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）信號特異性不強，在響應特定的細胞器缺陷時無法誘導定向的核轉(zhuǎn)錄變化，因此可能需要特定ROS 信號的受體來進行信號轉(zhuǎn)導［54］。在對非植物系統(tǒng)的線粒體未折疊蛋白反應（Mitochondrial Unfolded Protein Response，UPRmt）研究中發(fā)現(xiàn)，ROS 依賴性誘導的UPRmt的調(diào)控以及通路中精確的信號轉(zhuǎn)導機制可能與線粒體障礙相關［55］。而對植物中UPRmt的機制進行研究表明其可能與線粒體自噬有關［56］，不過有關這方面的研究比較少，需要進一步探究。

此外，線粒體自噬也可能通過去除發(fā)出壓力信號的受損細胞器參與逆行信號抑制。在動物系統(tǒng)中，線粒體自噬的損傷損害了應激抵抗，并通過SKN-1 轉(zhuǎn)錄因子觸發(fā)線粒體逆行信號，該轉(zhuǎn)錄因子通過增強DCT-1 的表達來調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生基因和線粒體自噬［57］。從線粒體到細胞核的交流已在植物中進行了深入研究，并且已經(jīng)確定了這種逆行信號中的某些成分［58］。了解這種交流方式是如何協(xié)調(diào)的，是理解植物中不同細胞反應的結(jié)果及其與自噬過程聯(lián)系的關鍵，這對于理解線粒體自噬對植物線粒體功能和信號傳導的影響是必要的。

5.2 線粒體自噬與程序性細胞死亡

線粒體自噬通過去除受損成分或循環(huán)營養(yǎng)物質(zhì)可以提高細胞存活率［59］，但是過高的自噬水平可能會使平衡向細胞死亡方向轉(zhuǎn)變［60］。目前，已經(jīng)有關于線粒體在程序性細胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）中的作用研究［61，62］，但自噬在植物 PCD 中的作用尚不清楚。

研究表明，線粒體通透性轉(zhuǎn)變（Mitochondria Un?dergoing Permeability Transition，MPT）是自噬的靶點，細胞內(nèi)廣泛存在的MPT 在接收到死亡信號后可能通過自噬過度清除線粒體而觸發(fā)細胞死亡［63］。在水稻淀粉質(zhì)胚乳PCD 中，PCD 相關的反應MPT 和半胱天冬酶樣蛋白的激活先于細胞死亡，表明在植物發(fā)育 PCD 過程中，MPT 參與了 PCD［64］。在擬南芥線粒體蛋白酶FtSH4 的研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tSH4 突變體會表現(xiàn)出衰老、PCD 和自噬增加的表型，其與ATG5 或ATG8 突變體雜交降低了PCD 水平并逆轉(zhuǎn)了葉片的早期衰老，這表明自噬同時刺激了該蛋白酶突變體的葉片衰老和PCD［46］。在對一種水生草本植物的PCD 研究中發(fā)現(xiàn)，在PCD 早期的液泡中有葉綠體和線粒體的聚集，隨著PCD 的進行，這種聚集明顯擴大，表明線粒體自噬是PCD 過程的一部分［9］。

6 展望

線粒體自噬通過清除衰老、損傷的線粒體，維持線粒體的穩(wěn)態(tài)，對于真核生物的正常生命活動具有重要意義。近些年來，對于哺乳動物和酵母的線粒體自噬研究取得了很大進展，但是在植物中的線粒體自噬研究還處在起步階段。本研究對植物線粒體自噬的研究進展進行了綜述，但是對植物中線粒體自噬是如何進行的依然了解不多。植物中的許多核心ATG 蛋白是保守的，但是幾乎沒有證據(jù)表明單個植物線粒體是如何被標記為自噬清除的。在植物中發(fā)現(xiàn)了許多線粒體自噬相關的蛋白、受體以及蛋白酶，但是其功能以及在線粒體自噬中的調(diào)控機制很多都不清楚。此外，研究發(fā)現(xiàn)線粒體自噬在植物的信號轉(zhuǎn)導、衰老死亡以及PCD 中有參與，但是線粒體自噬在這些細胞過程中是如何調(diào)控的還不清楚。未來，可以在在植物中開發(fā)線粒體自噬工具，進一步探究植物的線粒體自噬調(diào)控機制和功能。