PNAS | 过硫化修饰调控细胞自噬的新机制

撰文 | 星期一

责编 | 王一

自噬（Autophagy）是真核细胞中的一个重要的分解代谢过程，用于分解失活的或不需要的细胞组分【1,2】。在植物，动物和真菌的发育，细胞稳态和应激反应中具有保守的功能。在植物中，自噬参与了包括发育，代谢，生殖等一系列过程【1】。自噬过程中，细胞质的一部分被包裹成一个双膜囊泡，称为自噬小体。自噬小体的外膜最终与液泡融合，将内容物释放到液泡中被降解【3】。内质网可以参与自噬过程并为自噬小体提供膜来源，同时内质网也是自噬过程的靶标，这个现象称为“内质网自噬”。拟南芥有大约40个ATG（autophagy related）基因【3】，其中ATG18a是自噬过程中的主要调节子，参与了自噬体的形成，但是植物调控ATG18a的机制仍然不清楚。

过硫化是一种蛋白翻译后调节的机制，指蛋白质的半胱氨酸残基上偶联了过硫酸基团（-SSH），此过程由硫化氢（H2S）介导。过硫化可以影响蛋白的功能，亚细胞定位，稳定性和对氧化压力的抗性。H2S是一种内源性的气体信号分子，近年来H2S在植物和哺乳动物的自噬调控中的作用得到了广泛报道【4-6】。比如ATG4的蛋白酶活性受过硫化调控。在ATG4蛋白的第170位的半胱氨酸被过硫化后，ATG4的蛋白酶活性会受到抑制【7】。其他ATG蛋白，如ATG18a也会发生过硫化现象，但是其调控机制仍然未知。

近日，美国爱荷华州立大学Diane C. Bassham课题组在PNAS上发表题为Persulfidation of ATG18a regulates autophagy under ER stress in Arabidopsis的学术论文，揭示了自噬关键蛋白ATG18a的过硫化修饰调控内质网胁迫下自噬的机制。值得一提的是，此前该课题组在The Plant Cell上论文，揭示了H2S通过过硫化修饰抑制ATG4a蛋白酶活性，从而负调控细胞自噬的机制（点击查看：Plant Cell | 硫化氢调控植物细胞自噬的新机制）。

在前期研究中，作者已经发现ATG18a会发生过硫化【8】。为了进一步探索ATG18a的过硫化位点，作者利用液相色谱发现第103位半胱氨酸发生了过硫化（图1）。通过外源施加NaHS，作者证明了硫化物可以负调控内质网胁迫下的自噬。同时，硫化物可以促进ATG18a对磷脂的结合活性（图2）。最后，作者通过蛋白的三级结构模型预测，发现第103位半胱氨酸的过硫化可能影响了ATG18a结合磷脂的关键位点的静电互作网络。

图1  ATG18a的第103位半胱氨酸发生过硫化

图2  硫化物促进ATG18a的磷脂结合活性

前人研究已经证明了硫化物对营养缺乏和ABA诱导的自噬有调控作用，而该研究首次发现内质网压力诱导的自噬也受硫化物调控，进一步表明过硫化在自噬过程中起着重要作用。更重要的是，通过研究过硫化对ATG18a的磷脂结合活性的影响，提出了新的过硫化影响自噬的调控模型：过硫化增强了ATG18a的磷脂结合活性，并可能抑制了ATG18a从膜上解离，从而抑制了自噬小体的形成。

参考文献

1. D. C. Bassham, Function and regulation of macroautophagy in plants. Biochim. Biophys. Acta 1793, 1397–1403 (2009).

2. D. C. Bassham et al., Autophagy in development and stress responses of plants. Autophagy 2, 2–11 (2006).

3. K. Zientara-Rytter, A. Sirko, To deliver or to degrade–An interplay of the ubiquitin proteasome system, autophagy and vesicular transport in plants. FEBS J. 283,3534–3555 (2016).

4. C. Álvarez et al., Cysteine-generated sulfide in the cytosol negatively regulates autophagy and modulates the transcriptional profile in Arabidopsis. Plant Cell 24, 4621–4634 (2012).

5. D. Zhang et al., Detection of protein S-sulfhydration by a tag-switch technique. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 53, 575–581 (2014).

6. S. Kundu, S. Pushpakumar, S. J. Khundmiri, U. Sen, Hydrogen sulfide mitigates hyperglycemic remodeling via liver kinase B1-adenosine monophosphate-activated protein kinase signaling. Biochim. Biophys. Acta 1843, 2816–2826 (2014).

7. A. M. Laureano-Marín et al., Abscisic acid-triggered persulfidation of the Cys protease ATG4 mediates regulation of autophagy by sulfide. Plant Cell 32, 3902–3920 (2020).

8. A. Aroca, J. M. Benito, C. Gotor, L. C. Romero, Persulfidation proteome reveals the regulation of protein function by hydrogen sulfide in diverse biological processes in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 68, 4915–4927 (2017).

原文链接：

https://www.pnas.org/content/118/20/e2023604118