硫化氢调控植物细胞自噬的新机制

来源：BioArt植物

细胞自噬是一种真核生物中高度保守的物质降解机制，参与自噬过程的蛋白被称为自噬相关蛋白(autophagy-related protein, ATG)。硫化氢（Hydrogen sulfide，H2S）是目前公认的一种信号分子，在植物生长发育及逆境胁迫方面起着重要作用，包括细胞自噬和脱落酸（Abscisic Acid, ABA）调控的气孔运动【1-3】。研究发现H2S通过硫巯基化作用（S-sulfhydration）翻译后修饰蛋白，将许多蛋白中半胱氨酸的-SH转变为-SSH，从而调控蛋白活性【4】。已有研究表明H2S通过独立于活性氧的方式负调节拟南芥细胞自噬，但其具体机制尚不清楚。

近日，西班牙塞维利亚大学（Universidad de Sevilla）植物生物化学和光合作用研究所Cecilia Gotor团队在The Plant Cell发表了题为Abscisic Acid-Triggered Persulfidation of the Cysteine Protease ATG4 Mediates Regulation of Autophagy by Sulfide 研究论文，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。

ABA在保卫细胞中通过引起H2S含量和蛋白过硫化物修饰水平的改变，进而调节气孔闭合。为了探究ABA如何调控叶肉细胞中蛋白过硫化物修饰水平，研究人员用ABA处理拟南芥后进行蛋白组分析其H2S含量，发现AtATG4a在调控细胞自噬中具有重要作用。研究发现Cys170是ATG4蛋白的催化位点，在多种生物中高度保守。AtATG4a的Cys170的过硫化修饰可能影响该蛋白酶的水解活性和生物功能。为了进一步确定AtATG4a的过硫化修饰水平影响其酶活性，研究人员开发了一种以莱茵衣藻的CrATG8为ATG4底物，测定AtATG4a蛋白酶活性。结果表明该蛋白酶的过硫化修饰水平高低确实影响其酶活性，硫化物可以显著且可逆的使AtATG4a失活。当细胞自噬激活时，硫化物可以逆向调控ATG4活性。深入分析发现在氮缺乏和渗透胁迫下，拟南芥中ATG4的总蛋白水解活性显著增加，而在硫化物处理下，其总蛋白水解活性又被抑制，表明ATG4是过硫化物的特异靶蛋白。

图1 ATG4的过硫化修饰水平调控细胞自噬的模型图

综上所述，该研究揭示了 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。在正常情况下细胞内的硫化物在ATG4蛋白过硫化修饰水平高时，抑制其蛋白水解活性，从而抑制ATG8-PE复合物的形成，进而抑制细胞自噬体的从头合成。当细胞内ABA含量升高时，可以迅速降低ATG4的总蛋白过硫化修饰水平，从而激活该蛋白酶活，促使ATG8-PE复合蛋白形成。

参考文献

1. Laureano-Marin AM, Moreno I, Romero LC, Gotor C (2016a) Negative Regulation of Autophagy by Sulfide Is Independent of Reactive Oxygen Species. Plant Physiol，171: 1378-1391；

2. Laureano-Marin AM, Moreno I, Aroca Á, García I, Romero LC, Gotor C. (2016b). Regulation of Autophagy by Hydrogen Sulfide. In Gasotransmitters in Plants:The Rise of a New Paradigm in Cell Signaling, L. Lamattina and C. García-Mata, eds (Cham: Springer International Publishing), pp. 53-75；

3. Scuffi D, Nietzel T, Di Fino LM, Meyer AJ, Lamattina L, Schwarzländer M, Laxalt AM, García-Mata C (2018) Hydrogen Sulfide Increases Production of NADPH Oxidase-Dependent Hydrogen Peroxide and Phospholipase D-Derived Phosphatidic Acid in Guard Cell Signaling. Plant Physiol 176: 2532；

4. Mustafa AK, Gadalla MM, Sen N, Kim S, Mu W, Gazi SK, Barrow RK, Yang G, Wang R,Snyder SH (2009) H2S signals through protein S-sulfhydration. Sci Signal 2: ra72；

5. Shen J, Zhang J, Zhou M, Zhou H, Cui B, Gotor C, Romero LC, Fu L, Yang J, Foyer CH,Pan Q, Shen W, Xie Y (2020) Persulfidation-based Modification of Cysteine Desulfhydrase and the NADPH Oxidase RBOHD Controls Guard Cell Abscisic Acid Signaling. Plant Cell 32: 1000-1017.