Nature Communication | 法国波尔多大学研究团队发现PI4P控制拟南芥自噬体形成机制

自噬（autophagy）是真核生物长期进化形成的一种高度保守的细胞内物质降解和周转途径，有3种自噬类型，分别为巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和选择性自噬(selective autophagy)。一般意义上的自噬都指巨自噬，它是最主要的一种自噬降解途径，能够封装和运输胞内物质到溶酶体或液泡中进行降解，通过一系列共同定位于吞噬泡组装位点(phagophore assembly site, PAS)的ATGs蛋白组装形成吞噬泡结构，进而吞噬胞内物质，产生具有双层膜结构的自噬体(autophagosomes)，再与液泡或溶酶体融合，降解运输物并重新利用。细胞自噬在植物的生长发育以及应对逆境胁迫过程中发挥着重要作用。然而，自噬体如何在植物细胞中形成仍然知之甚少。

2022年7月26日，Nature communications在线发表了法国波尔多大学Amélie Bernardi团队题为“Phosphatidylinositol-4-phosphate controls autophagosome formation in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究发现拟南芥细胞质膜提供PI4P以支持自噬体的正确组装和扩张，从而控制自噬体的形成。

为了确定哪些脂质以及如何影响植物的自噬过程，研究人员对拟南芥进行了脂质抑制剂筛选。作者使用拟南芥GFP-ATG8转基因株系对细胞自噬过程进行标记。在自噬过程中，ATG8被募集到AP前体吞噬泡膜上，自噬体与液泡膜融合后，一部分蛋白质被运送到液泡中。在液泡腔中，与GFP融合的ATG8蛋白(GFP-ATG8)被快速降解，而更稳定的GFP部分积累。因此，GFP-ATG8和游离GFP之间的比率反映了自噬货物递送的速率。PI4K负责合成PI4P,研究人员使用PI4K抑制剂PAO(phenylarsine oxide)处理营养缺乏条件下的拟南芥幼苗，发现GFP/GFP-ATG8比率降低，说明细胞自噬过程受到阻碍。在营养缺乏条件下，PI4P探针荧光主要位于质膜；相反，PAO处理导致荧光在整个胞质中,表明PI4P合成被PAO阻止。Target of Rapamycin (TOR)是细胞自噬过程的关键的调节因子，施加抑制剂AZD8055(AZD)后可以观察到细胞自噬被显著激活。但是当AZD与PAO同时处理后，细胞自噬被很大程度上阻断。因此，施加PI4K活性抑制剂PAO处理能够很大程度上阻断拟南芥根部细胞自噬。

研究人员已经确定了PI4P对于细胞自噬过程是必要的，进一步要确定是哪一种PI4K参与了该过程。拟南芥中已经被鉴定到3种PI4K负责合成PI4P，分别是PI4Kα1，PK4Kβ1和PK4Kβ2。研究人员对pi4kβ1 pi4kβ2双突以及amiRNA:PI4Kα1植物材料进行营养缺乏诱导自噬恢复实验（培养基+N→-NC→+N），结果表明pi4kα1RNAi突变体在营养缺乏条件下由于自噬受损不能降解细胞器再利用营养，导致幼苗死亡，而pi4kβ1 pi4kβ2双突表现与野生型无异。这些结果表明PI4Kα1是植物适应营养饥饿所必需的，PI4Kα1参与了自噬过程。

研究人员利用共聚焦显微镜观察GFP-ATG8以显示PAO处理下的自噬情况，发现PI4K活性受损GFP-ATG8斑点信号无法积累，不能进行细胞自噬。细胞自噬的先决条件是ATG8与脂质PE形成共价结合，被招募到吞噬泡膜上。研究人员进一步确定了PI4K活性受损后ATG8-PE形式减少，即ATG8脂质化受到严重影响。以上结果表明，PI4K活性是根细胞在营养饥饿时自噬所必需的。为了测试PI4P是否直接存在于自噬膜中，研究人员观察了一组PI4P特异性探针，发现PI4P是能够在的液泡自噬小体中积累的，并与ATG8有共定位。在更加早起的自噬结构中，很少观察到ATG8与PI4P的共定位。但是，作者进一步发现，自噬发生的早期ATG8与质膜、内质网、高尔基体等距离很近，这暗示着质膜很有可能是作为细胞自噬过程中PI4P的储库。

本文中，作者使用药理学和遗传学的方法揭示了PI4P在自噬中的重要性。结合生物化学和活体显微镜分析，作者发现PI4K活性是自噬体形成的早期阶段所必需的。此外，结果表明质膜定位的PI4Kα1参与自噬，并且在富含PI4P的质膜附近发现了大量的自噬结构。该研究揭示了自噬的分子决定因素的关键见解，提出了一个模型，其中质膜提供PI4P来支持自噬体的正确组装和扩增，从而控制拟南芥中自噬体的形成。

法国波尔多大学Rodrigo Enrique Gomez为本文的第一作者，Amélie Bernard为本文的通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32109-2

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转自：植物生物技术Pbj

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