线粒体自噬在植物中的研究进展

姜雅婷

（天津大学生命科学学院，天津 300072）

线粒体为细胞的生命活动提供所需的大部分能量，线粒体功能障碍会引发多种疾病。因此，通过线粒体自噬清除衰老、损伤的线粒体，控制线粒体的质量和数量，对于维持细胞内环境的稳态非常重要。线粒体自噬广泛存在于动物、植物以及酵母中。在过去的研究中，对于酵母和动物线粒体自噬的研究取得了很大进展，但是对于植物线粒体自噬的机制和自噬过程中参与的蛋白还不清楚。本研究综述了线粒体自噬在植物中的研究进展，包括线粒体自噬相关的受体、蛋白酶以及线粒体自噬在植物中的生物学功能，为后期对于植物线粒体自噬的研究提供一定的基础。

1 植物中的线粒体自噬

线粒体对于能量代谢、生物合成和细胞死亡的调控至关重要，并且参与了细胞内的应激反应和信号传导［1，2］。线粒体功能异常会引起多种疾病，比如神经退行性疾病、脑损伤［3］、糖尿病［4］等，因此线粒体质量控制至关重要。线粒体自噬是细胞中的线粒体降解过程，可以清除功能异常或多余的线粒体，维持细胞中的线粒体平衡。目前，对于植物的线粒体自噬研究还处于早期阶段，但是在多个研究中，已经观察到植物的线粒体自噬现象。

植物自噬的研究主要通过细胞培养进行，在去除培养基的营养物质时会造成细胞自噬［5，6］，所以植物自噬的相关研究一直受到限制。不过在植物的超微结构观察中，看到多种自噬现象，包括线粒体自噬。Toyooka 等［7］在绿豆幼苗的子叶细胞中观察到，在自噬过程中线粒体被包裹在类似内质网的双膜结构中，这些自噬样结构会与裂解泡融合，介导线粒体自噬，降解淀粉颗粒和细胞成分。Kwon 等［8］在拟南芥中观察到，木质部导管分子分化后出现许多包裹线粒体的自噬体，说明自噬参与了细胞的分化。Wertman 等［9］在研究一种水生草本植物的程序性细胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）中发现，在发育的PCD 后期可以观察到液泡中有线粒体聚集体出现。Bi 等［10］在研究 ACD5（ACCELERATED CELL DEATH 5）时发现，拟南芥中ACD5 的突变会造成自发的PCD，并伴随着自噬的发生，在自噬体中存在线粒体活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的增加。Li 等［11］在研究线粒体基质蛋白酶 Lon1 时发现，拟南芥中Lon1 丢失会导致线粒体更新增加，可能是由于线粒体自噬被诱发。Li 等［12］在研究自噬相关蛋白时还发现，在拟南芥衰老过长中，线粒体蛋白和线粒体囊泡会通过自噬被降解。植物中的线粒体自噬存在于植物的整个生命活动中，对于植物的生长发育、衰老死亡都起重要作用。

2 植物的线粒体自噬调控机制

在植物的自噬研究中，氮饥饿［12］和碳饥饿［13］是应用最广泛的2 个自噬诱发条件，说明细胞的营养状态可能在植物自噬中起作用。虽然植物的线粒体自噬与哺乳动物、酵母可能在概念上具有相似的机制（图 1）［14］，植物中的大多数核心 ATG 基因都是保守的［15，16］，但是植物中的线粒体调节因子与哺乳动物和酵母并不保守，而且在哺乳动物和酵母的线粒体自噬中都有特定的参与者，比如ATG32 和PINK1等，在拟南芥中没有发现这样的蛋白［17］。

2.1 哺乳动物线粒体自噬调控机制

在现有的研究中，关于哺乳动物细胞线粒体自噬机制的研究有很多说法，其中有2 种自噬调控机制最为经典，如图1 所示。一种机制依赖于线粒体膜电位，在受损的线粒体中膜电位下降，PINK1 在线粒体外膜（Outer Mitochondrial Membrane，OMM）上聚集，通过自磷酸化活化，招募Parkin，并将Parkin和泛素（Ubiquitin，Ub）磷酸化，激活 Parkin 的 E3 泛素连接酶活性，使得线粒体外膜蛋白泛素化，最终导致核心 ATG 蛋白的聚集，引发线粒体自噬［18，19］。另一种机制由缺氧或解偶联剂诱导引发，线粒体自噬受体FUNDC1 是一个3 次跨膜蛋白，定位于OMM，在缺氧或解偶联条件下，招募Ser/Thr 激酶ULK1 到OMM，并与之结合；ULK1 与 FUNDC1 相互作用，将其Ser17 磷酸化，增强FUNDC1 与自噬相关蛋白LC3的结合，引发线粒体自噬［20］。

2.2 酵母线粒体自噬调控机制

酵母中的线粒体自噬主要由线粒体蛋白ATG32介导，调控机制如图1 所示。ATG32 是酵母线粒体自噬特有的蛋白质，于2009 年被Klionsky 和Ohsumi实验室同时发现，定位于 OMM［21，22］。在受损线粒体中，ATG32 的 Ser114 和 Ser119 磷酸化并作为受体蛋白，招募自噬膜上的ATG8（哺乳动物LC3 的同系物）、ATG11，与之相互作用形成聚合体，启动线粒体自 噬［23］。 其 中 ，ATG32-ATG11 复 合 物 的 形 成 受ATG32 的 Ser114 磷酸化调控，ATG11 被酪蛋白激酶（Casein Kinase 2，CK2）磷酸化可以稳定 ATG32 与ATG11的相互作用，从而招募线粒体到酵母液泡附近的自噬组装位点（Phagophore Assembly Site，PAS）［24，25］；ATG32-ATG11 复合物与核心ATG 蛋白一起产生自噬膜，ATG32 与ATG8 相互作用可以促进自噬膜吞噬线粒体，使线粒体被降解掉［26，27］。

2.3 植物线粒体自噬调控机制

对于植物线粒体自噬的研究，目前大多数集中在拟南芥和简单藻类中［28］。Li 等［12，29］在拟南芥中发现了酵母ATG11 的同系物，并证明其与线粒体自噬相关。拟南芥ATG11 虽然与酵母ATG11、哺乳动物FIP200（分子大小为200 kD 的黏着斑激酶家族相互作用蛋白）同源，但是同源性较低，分别为18%和15%［12］。 拟 南 芥 ATG11 蛋 白 结 构 中 包 含 ATG11/coiled-coil 基序和 ATG7-like 结构域，这 2 个结构分别是这2 个蛋白家族的特异性结构，所以拟南芥ATG11 与 这 2 种 蛋 白 在 功 能 上 具 有 相 似 性［12］。ATG11 蛋白的一个显著特征是能够与其他ATG 组分的多种组合相互作用，这意味着它可以作为主要支架来帮助组装和整合 ATG 系统［30］。

在拟南芥中，ATG11与ATG8、ATG13和ATG101直接相互作用，与ATG1 通过ATG13 间接相互作用［12，29］，如图 1 所示。其中，自噬相关 ATG1-ATG13激酶复合物是一种上游调节因子，由Ser/Thr 激酶ATG1（哺乳动物中ULK1/2 的同系物）、其激酶活性调节因子ATG13 和一些起支架和调节作用的辅助蛋白组成，该复合物通过ATG1 和ATG13 磷酸化状态的变化，将代谢和环境信号与自噬小泡联系起来，调控自噬水平［31，32］。在拟南芥中，ATG11是ATG1/13复合物的辅助蛋白，它可以作为支架将复合物与自噬线粒体以及自噬膜连接起来，并促进囊泡向液泡的传递，是自噬小泡形成的必要条件，参与线粒体的选择性自噬［29］。

在受损线粒体中，激活的ATG1/ATG13 复合物与辅助蛋白ATG11、ATG101 通过去磷酸化的方式结合，并被招募到线粒体表面，与线粒体外膜或内膜受体蛋白相互作用，诱导 PAS 的形成［17］。ATG8 通过PE（Phosphatidyl ethanolamine，磷脂酰乙醇胺）的脂化作用修饰自噬泡，形成 ATG8-PE 复合物［33］。ATG8-PE 复合物修饰成熟的自噬体膜是观察植物体中自噬体形成的良好标记［33-35］。ATG11、ATG1 和膜受体样蛋白分别与ATG8-PE 修饰的自噬泡结合，形成自噬体，引发线粒体的传递与降解［12，17］。

图1 线粒体自噬调控机制模型

3 植物中的线粒体自噬受体

在线粒体自噬的研究中，线粒体表面的特定蛋白质作为受体，招募自噬相关组分到线粒体，并与之相互作用，诱发线粒体自噬的发生。哺乳动物线粒体表面中的PINK1、FUNDC1 以及酵母线粒体表面的ATG32 都是自噬线粒体的OMM 受体，在自噬中作为降解标记。但是到目前为止，在植物中还没有发现有蛋白质有类似功能。由于ATG8 是自噬机制的核心蛋白之一，Xie 等［36］开发了一种生物信息学工具hfAIM 来预测可能与ATG8 有相互作用的蛋白，含有与ATG8 相互作用基序的线粒体膜蛋白可能是线粒体受体蛋白，利用这种方法可以寻找植物中的线粒体自噬受体。

在拟南芥中鉴定出的42 种线粒体外膜蛋白中［37］，根据预测其中与ATG8 存在相互作用的有12种，包括己糖激酶1（Hexokinase 1），电压依赖性阴离子通道 2（Voltage-Dependent Anion Channel，VDAC2），移位酶TOM20-2、TOM20-3、TOM20-4 以及TOM40等［17］。在哺乳动物细胞中，己糖激酶可以通过抑制TOR 自噬通路来调控自噬水平［38］；在哺乳动物的PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬途径中，VDAC 是Parkin 泛素化线粒体蛋白的重要靶点［39］；移位酶TOM 作为线粒体外膜上的通道蛋白，介导了自噬蛋白如 PINK1 的导入［40，41］。

在OMM 破裂，线粒体内膜（Inner Mitochondrial Membrane，OMM）暴露出来的情况下，IMM 蛋白也会作为受体参与线粒体自噬。在拟南芥已经鉴定出的213 种 IMM 蛋白中［42，43］，预测与 ATG8 有相互作用的蛋白质有36 种［17］。其中的线粒体内膜转位酶（Translocase of Inner Mitochondrial Membrane，TIM）TIM17、TIM23，NADH-泛醌氧化还原酶（NADHUbiquinone Oxidoreductase），ATP 依赖的锌金属蛋白酶（ATP-Dependent Zinc Metalloprotease）FtSH 11、FtSH 4 以及线粒体钙离子单向转运蛋白（Mitochon⁃drial Calcium Uniporter Protein）MCU1、MCU6 等都发现与线粒体自噬相关［44-47］，而这些蛋白质是如何调控线粒体自噬需要进一步探究。

4 植物中的线粒体自噬蛋白酶

蛋白酶是线粒体自噬的重要组分，在线粒体自噬的多种途径中都有蛋白酶的参与。菱形蛋白酶是一类保守的膜内蛋白酶，线粒体中的菱形蛋白酶参与了线粒体形态和功能的调节［48-50］。在植物的叶绿体和线粒体中也存在一些菱形蛋白酶［51，52］。在拟南芥线粒体中鉴定出的菱形蛋白酶AtRBL12，AtRBL12不能介导其他紧密相关的菱形蛋白酶所识别的底物的加工［51］。在拟南芥叶绿体中鉴定出2 种菱形蛋白酶AtRBL8 和AtRBL9，这2 种蛋白酶的单或双突变体中均未观察到剧烈的表型变化［52］。因此，没有证据表明叶绿体或线粒体菱形蛋白酶在植物自噬中起积极作用。

在拟南芥中的线粒体蛋白酶FtSH4 的缺失会导致严重的叶片衰老、细胞死亡和自噬水平升高［46］。动物蛋白酶HTRA2/Omi/PARK13 是线粒体自噬PINK1 的底物，拟南芥线粒体蛋白酶AtPARK13 与人类PARK13 相似，研究显示AtPARK13 水平的升高可以提高拟南芥的耐热性，但是还没有证据表明其参与了植物的线粒体自噬［53］。

5 线粒体自噬在植物中的生物学功能

线粒体自噬作为细胞中重要的生理学过程，参与了细胞的能量代谢、存活、信号传导和死亡等生命活动的调控，对于维持细胞内环境的稳态十分重要。

5.1 线粒体自噬与信号转导

在氧化应激诱导下的线粒体自噬，由于细胞中的通用活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）信号特异性不强，在响应特定的细胞器缺陷时无法诱导定向的核转录变化，因此可能需要特定ROS 信号的受体来进行信号转导［54］。在对非植物系统的线粒体未折叠蛋白反应（Mitochondrial Unfolded Protein Response，UPRmt）研究中发现，ROS 依赖性诱导的UPRmt的调控以及通路中精确的信号转导机制可能与线粒体障碍相关［55］。而对植物中UPRmt的机制进行研究表明其可能与线粒体自噬有关［56］，不过有关这方面的研究比较少，需要进一步探究。

此外，线粒体自噬也可能通过去除发出压力信号的受损细胞器参与逆行信号抑制。在动物系统中，线粒体自噬的损伤损害了应激抵抗，并通过SKN-1 转录因子触发线粒体逆行信号，该转录因子通过增强DCT-1 的表达来调节线粒体生物发生基因和线粒体自噬［57］。从线粒体到细胞核的交流已在植物中进行了深入研究，并且已经确定了这种逆行信号中的某些成分［58］。了解这种交流方式是如何协调的，是理解植物中不同细胞反应的结果及其与自噬过程联系的关键，这对于理解线粒体自噬对植物线粒体功能和信号传导的影响是必要的。

5.2 线粒体自噬与程序性细胞死亡

线粒体自噬通过去除受损成分或循环营养物质可以提高细胞存活率［59］，但是过高的自噬水平可能会使平衡向细胞死亡方向转变［60］。目前，已经有关于线粒体在程序性细胞死亡（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，线粒体通透性转变（Mitochondria Un⁃dergoing Permeability Transition，MPT）是自噬的靶点，细胞内广泛存在的MPT 在接收到死亡信号后可能通过自噬过度清除线粒体而触发细胞死亡［63］。在水稻淀粉质胚乳PCD 中，PCD 相关的反应MPT 和半胱天冬酶样蛋白的激活先于细胞死亡，表明在植物发育 PCD 过程中，MPT 参与了 PCD［64］。在拟南芥线粒体蛋白酶FtSH4 的研究中发现，FtSH4 突变体会表现出衰老、PCD 和自噬增加的表型，其与ATG5 或ATG8 突变体杂交降低了PCD 水平并逆转了叶片的早期衰老，这表明自噬同时刺激了该蛋白酶突变体的叶片衰老和PCD［46］。在对一种水生草本植物的PCD 研究中发现，在PCD 早期的液泡中有叶绿体和线粒体的聚集，随着PCD 的进行，这种聚集明显扩大，表明线粒体自噬是PCD 过程的一部分［9］。

6 展望

线粒体自噬通过清除衰老、损伤的线粒体，维持线粒体的稳态，对于真核生物的正常生命活动具有重要意义。近些年来，对于哺乳动物和酵母的线粒体自噬研究取得了很大进展，但是在植物中的线粒体自噬研究还处在起步阶段。本研究对植物线粒体自噬的研究进展进行了综述，但是对植物中线粒体自噬是如何进行的依然了解不多。植物中的许多核心ATG 蛋白是保守的，但是几乎没有证据表明单个植物线粒体是如何被标记为自噬清除的。在植物中发现了许多线粒体自噬相关的蛋白、受体以及蛋白酶，但是其功能以及在线粒体自噬中的调控机制很多都不清楚。此外，研究发现线粒体自噬在植物的信号转导、衰老死亡以及PCD 中有参与，但是线粒体自噬在这些细胞过程中是如何调控的还不清楚。未来，可以在在植物中开发线粒体自噬工具，进一步探究植物的线粒体自噬调控机制和功能。