自噬是真核生物细胞内高度保守的一类细胞生物学途径。在植物细胞中，自噬通过液泡对细胞质中损坏的蛋白质或细胞器进行降解，在调控植物生长发育、响应逆境等过程中发挥重要作用。此外，自噬也在玉米、小麦等作物的种子储藏蛋白运输过程中扮演重要角色。目前，植物自噬领域研究主要集中在自噬体发生的分子机制上，对自噬体如何与液泡融合的分子机制知之甚少。近日，JIPB在线发表了万建民院士团队题为“The MON1-CCZ1 complex plays dual roles in
autophagic degradation and vacuolar protein transport in rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13792)，克隆了调控水稻自噬的关键基因MON1，阐明了MON1-CCZ1复合体通过与自噬关键蛋白ATG8互作介导自噬体与液泡融合的分子机制。该研究揭示了MON1-CCZ1复合体在植物液泡转运途径和自噬体途径中的双重功能，拓展了人们对植物内膜系统中蛋白质运输分子机理的认知。该研究从水稻粳稻品种宁粳3号的60Co辐射诱变库中筛选了一个水稻储藏蛋白运输缺陷的突变体gpa10。该突变体除胚乳细胞储藏蛋白运输存在严重缺陷外，还在根细胞中积累了大量的自噬体结构。细胞学和免疫细胞化学实验表明，该突变体在自噬体与液泡的融合过程存在缺陷，导致自噬体异常积累。通过图位克隆结合转基因互补实验证实，GPA10编码一个拟南芥MON1 (MONENSIN SENSITIVITY 1) 的同源蛋白。生化实验证实，MON1与团队前期报道的CCZ1 (CALCIUM CAFFEINE ZINC SENSITIVITY1) 蛋白存在物理互作 (Pan et al., 2021)，二者可以形成一个功能蛋白复合体，作为小G蛋白Rab7的鸟苷酸交换因子通过激活Rab7在种子储藏蛋白的后高尔基体运输过程中发挥功能。有趣的是，酵母双杂交实验表明，MON1与水稻ATG8家族成员 (ATG8a-8e) 均存在强的物理互作，但CCZ1与ATG8成员无直接互作，该互作方式与酵母存在明显不同。点突变实验证实，水稻和酵母中ATG8a与MON1-CCZ1间不同的相互作用模式可能源于AIMs基序的差异。进一步通过pull-down、萤光素酶互补成像及免疫共沉淀等生化实验，证实了MON1与ATG8a之间的物理互作关系。随后，通过CRSPR/Cas9技术构建了mon1 atg8a双突变体，相对于CRI-ATG8a和CRI-MON1d单突变体家系，atg8a mon1双突变体幼苗期生长存在更加严重的缺陷。此外，定量蛋白质组学分析表明，MON1功能的丧失影响了包括自噬和液泡运输在内的多种生物学途径，从而减少了自噬和液泡货物向液泡的运输。值得一提的是，在水稻胚乳中我们并未发现自噬在种子储藏蛋白运输过程中发挥功能，这一点与玉米、小麦等作物可能存在差异。图1. MON1-CCZ1 参与水稻自噬降解和液泡蛋白转运途径
综上所述，该研究阐明了植物中MON1-CCZ1复合物的双重功能，建立了自噬和液泡蛋白运输之间的分子联系。在自噬途径中，MON1-CCZ1复合物被ATG8招募到自噬体上进而激活Rab7，继而通过招募下游效应物如拴系和融合因子启动自噬体膜与液泡膜的融合，最终完成自噬过程，维持植物正常生长。此外，MON1-CCZ1复合物还参与前液泡区室 (PVC) 等运输小泡与液泡的融合，负责储藏蛋白等液泡货物的运输。这些发现不仅为水稻自噬和液泡运输过程中膜融合的分子机制提供了新的见解，也拓宽了我们对植物中MON1-CCZ1复合物功能多样性的理解。中国农业科学院作物科学研究所与南京农业大学联合培养博士生张冰蕾、南京农业大学王益华教授和中国农业科学院作物科学研究所博士生朱韵为该论文的共同第一作者。万建民院士、中国农业科学院作物科学研究所任玉龙研究员和南京农业大学鲍依群教授为该文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院农业科技创新计划等项目的资助。Pan, T., Wang, Y.H.,
Jing, R.N., Wang, Y.F, Wei, Z.Y., Zhang, B.L., Lei, C.L., Qi, Y.Z., Wang, F.,
Bao, X.H., Yan, M.Y., Zhang, Y., Zhang, P.C., Yu, M.Z., Wan, G.X., Chen, Y.,
Yang, W.K., Zhu, J.P., Zhu, Y., Zhu, S.S., Cheng, Z.J., Zhang, X., Jiang, L., Ren,
Y.L., and Wan, J.M. (2021). Post-Golgi
trafficking of rice storage proteins requires the small GTPase Rab7 activation
complex MON1-CCZ1. Plant Physiol. 187:2174–2191.
Zhang, B., Wang, Y., Zhu, Y., Pan, T., Yan, H., Wang, X., Jing, R., Wu, H., Wang, F., Zhang, Y., et al. (2024). The MON1–CCZ1 complex plays dual roles in autophagic degradation and vacuolar protein transport in rice. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13792本公众号免费发布招聘信息和宣传科研成果
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