综述：植物细胞中自噬以外的选择性降解过程

《Plant Cell Reports》：Selective degradation processes in plants are not limited to autophagy

这篇综述系统地探讨了植物细胞器中除经典自噬（autophagy）外的多样化选择性降解通路。文章重点揭示了在细胞程序性死亡（PCD）、稳态维持及发育重构中，诸如质体、线粒体等细胞器的清除机制（如微自噬、巨自噬、大自噬）及其交互作用，指出了该领域仍存在大量未知分子调控路径，为未来植物细胞生物学研究开辟了新方向。

　　

引言

植物组织与器官的异质性和功能性与细胞分化框架紧密相连。有趣的是，在发育过程中，细胞内容物既可能被富集，也可能显著减少。细胞内降解过程对于细胞质内容的渐进性减少至关重要，甚至在程序性细胞死亡（PCD）中可能导致完全自溶。特定细胞成分的选择性清除可以独立发生，而不同的清除途径也可能协同作用，这突显了细胞质成分破坏所涉及的复杂性，尤其是在并未导致细胞死亡的情况下。这些降解过程不仅对重构至关重要，对维持细胞活力也必不可少。植物中原生质体的完全退化已被充分记录。此类PCD机制在木质部发生和衰老等各种发育阶段中普遍存在。同样，许多外部因素也会触发针对生物和非生物胁迫的PCD。然而，降解机制也在非注定死亡的细胞中运作，有助于功能建立和稳态维持，以及清除受损和冗余的分子甚至整个细胞器。此外，液泡的生物发生依赖于此类细胞质货物的传递和消化。这些降解过程的产物被回收以维持细胞活力。而且，尽管被导向清除途径，细胞器仍会通过内部减少和完全崩解而自主退化。即使在程序性细胞死亡机制启动后，植物细胞在达到临界点（取决于剩余线粒体和质体的数量）之前仍可能保持活力。在必须保持活力的细胞中，需要精确启动和管理受限制的退化。然而，与批量降解相比，导致细胞死亡或特异性清除单个细胞元件的机制的停止尚未被完全理解，尤其是在与自噬和液泡降解无关的过程中。针对单个细胞成分的相似或完全不同的清除途径的全面概述将阐明它们在植物中的作用。

选择性自噬的机制与见解

植物中参与这种细胞降解的主要过程是自噬，分为三种类型。在微自噬中，液泡膜内陷，将细胞质片段纳入液泡。巨自噬始于膜前体的形成，该前体发展成吞噬泡，包裹预定降解的细胞质货物。吞噬泡扩展并最终闭合形成自噬体，一个双层膜囊泡。自噬体随后被运送到液泡进行消化。大自噬涉及液泡增大和液泡膜透化，随后膜破裂，通过自溶活性导致死亡。考虑到降解的选择性方面，巨自噬被认为是负责靶向清除单个细胞质成分的主要且特征最明确的机制。巨自噬结构精确识别并结合预定降解的细胞成分。

选择性自噬（主要是巨自噬）已被认为是严格招募和推进细胞破坏的机制。该机制的调节涉及自噬相关蛋白（ATGs），其中核心蛋白ATG₈在该通路的每个阶段都起着关键作用，与自噬结构的两层膜结合。虽然巨自噬可以非选择性地起作用，但当特定受体蛋白参与时，它也介导选择性货物降解。位于吞噬泡内膜上的ATG₈驱动这种选择性招募以进行降解，通过与自噬受体、衔接子以及含有自噬相互作用基序（AIMs）的货物结合。这些基序促进了巨自噬结构与选定货物之间的连接。ATG₈在选择性中的其他作用也被提出，包括防止含有不同内容物的前自噬结构融合，以及不同的ATG₈亚型参与PCD或选择性自噬。ATG₈亚型的功能特化，介导差异靶向的自噬途径的亚细胞区室化，也已被讨论。因此，巨自噬被认为是降解选择性方面的基本过程。对于植物细胞，针对细胞质元件的自噬受体已被充分记录，其机制在文献中有广泛描述。然而，与酵母和哺乳动物系统相比，植物的可用信息要少得多。相比之下，涉及通过液泡膜内陷或突出将细胞质碎片直接纳入液泡的微自噬，传统上被认为是非选择性的降解过程。然而，新出现的证据表明，特定的细胞器和细胞成分也可以通过微自噬被选择性隔离。选择性微自噬的分子机制尚不清楚；然而，它可以是一个依赖ATG基因的过程。积累在液泡表面附近的花青素聚集体可以通过类似于微自噬的液泡膜内陷被直接内化。也有人提出，微自噬介导了其他类黄酮聚集体的液泡运输，突出了该途径在次级代谢物隔离中先前未被重视的作用。此外，微自噬在形态上与储存蛋白被摄入胚乳糊粉层细胞的蛋白质储存液泡（PSVs）的机制相似。基于这些结构和功能上的相似性，谷类胚乳被认为是研究植物中微自噬分子调控的合适模型组织。

自噬机制无疑非常重要，但它们只是更广泛的选择性清除系统的一个组成部分。关于在细胞中局部和部分或针对单个细胞器激活的减少机制，仍然存在许多不确定性。对植物自噬的持续研究至关重要，特别是考虑到已知的人类选择性自噬受体及其在植物中功能尚未确定的正向同源物。然而，我们对整个选择性降解机制（包括植物细胞中不依赖自噬的过程）的理解仍存在重大空白和误解。已证实和潜在机制在其他选择性清除过程中的比较性展示提供了新的研究方向。本综述详细探讨了选择性降解过程，这些过程有些被忽视，其机制与选择性自噬相比在很大程度上仍属未知。

探索细胞器降解的有趣途径

质体的分化和稳态取决于影响内部蛋白质和膜的退化过程，这些过程受内部蛋白酶以及自噬的调节。整个叶绿体的选择性周转被称为叶绿体自噬（chlorophagy）或其碎片的片段性叶绿体自噬（piecemeal chlorophagy），尽管降解对其他类型的质体也至关重要。根据功能或刺激，质体通过多种途径降解。巨自噬参与整个质体的清除，例如光损伤的叶绿体。然而，吞噬泡对叶绿体蛋白的招募发生在果实成熟期间以及在碳饥饿或盐胁迫等条件下。自噬体中的质体材料可来源于基质管，导致形成核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶小体（RCBs）或小淀粉粒样结构（SSGLs）。质体膜也可作为自噬相关结构形成的膜来源之一。相反，叶绿体材料的清除由衰老相关液泡（SAVs）等裂解区室促进，特别是在衰老叶片中。叶绿体内部的囊泡化可能是由叶绿体囊泡化（CV）基因的表达驱动的，导致形成和释放含有CV的囊泡（CCVs），然后与液泡融合。SAV和CCV被液泡摄取的过程仍不清楚；有人提出将此过程定义为微叶绿体自噬（microchlorophagy），但也应考虑与液泡膜的简单融合。叶绿体被液泡直接摄取已在积累活性氧的叶绿体或合成叶绿体自噬受体诱导表达后被检测到。这些细胞器也可以自主降解，卷曲以吞噬部分细胞质，并发展成质体溶酶体（plastolysome）。在衰老的胚柄细胞中，已通过酸性磷酸酶的定位检测到质体溶酶体的自噬活性。在芸苔属植物胚胎发生小孢子中，这些自噬性质体在降解包括内化的细胞质后转变为多层膜体（MLBs）。质体溶酶体衍生的MLBs的膜残余物从原生质体排出到质外体。在挪威云杉的胚胎发生过程中，液泡中观察到许多质体溶酶体和MLB。在石斛品种的衰老花瓣中，观察到液泡中的质体溶酶体和MLB与微自噬和巨自噬同时存在。叶绿体在叶肉细胞中的类似退化最终转变为不规则的MLB。在光合组织中，尚未有叶绿体形成质体溶酶体的报道。然而，在伞形老鹳草花蜜腺发育过程中，在腺薄壁细胞中观察到具有类囊体样线性结构的杯状质体包裹细胞质部分。在氮和磷剥夺条件下，叶绿体甘油酯分解后，在附着于液泡膜或自噬液泡内观察到许多MLB。这些胁迫条件增强了自噬并导致脂滴的形成。其他类型质体从已有叶绿体的转化也涉及广泛的内部降解过程。在番茄果实成熟期间，蛋白水解途径通过促进叶绿体特异性成分的清除来促进有色体的分化。最近的证据表明，这种重塑过程是由自噬介导的。此外，自噬也与果实成熟后期含有类胡萝卜素的有色体的降解有关，并被称为有色体自噬（chromophagy）。质体也可能完全降解，使细胞能够直接获取合成的化合物。在一些分化的细胞中，质体衍生的储备物质不受膜的限制。在突然需求和缺乏的情况下，植物细胞中的物质可以通过质体降解的回收大分子来提供。这是一种常见的胁迫反应；在饥饿期间，质体退化，释放营养物质，使细胞能够存活并度过不利时期，而不是造成完全的细胞损伤。清除途径也会针对受损的叶绿体或不必要的质体（如精子细胞中的质体）被激活。目前尚不清楚上述降解过程是否适用于所有类型的质体，并可能参与含有非光合质体的维管组织的发育。然而，在高光照条件下，叶绿体存在于木质部薄壁细胞以及所有类型的未分化木质部细胞中。同样，在离体培养的百日草管状分子中也观察到许多叶绿体。它们失去了光合活性，并可能通过未知途径被清除。此外，编码CCV的基因在拟南芥根中表达增加，主要在内皮层，也在发育中的维管柱中。质体的数量在筛管发育过程中也会减少，它们转变为淀粉粒。然而，在筛管成熟之前，其中一些通过形成质体溶酶体被清除。衍生的MLB与自噬体融合，在液泡中观察到并被排泄到质外体。在大麦根木质部分化过程中，描述了类似的质体形态为变形虫状或杯状。

线粒体的生物发生和功能与内部蛋白质的蛋白水解降解过程密切相关。程序性细胞死亡的进展在很大程度上取决于线粒体形态和代谢组学的转变。线粒体活性氧产生的破坏和过度激活都显著影响细胞破坏。此外，某些线粒体蛋白作为PCD的正向或负向调节因子，使得线粒体数量的变化在细胞质降解中至关重要。在叶片衰老期间，虽然叶绿体首先降解，但线粒体是最后降解的。线粒体协调了参与其他细胞成分降解产生的营养物质再动员的分解代谢过程。然而，与质体相比，线粒体的选择性降解过程的记录要少得多。在导致细胞死亡的胁迫条件下以及衰老期间，观察到线粒体动态的形态变化。通过巨自噬清除整个线粒体（线粒体自噬）有助于消除去极化或聚集的线粒体，从而有助于营养物质的再动员。此外，线粒体自噬在维持能量稳态和防止线粒体功能障碍方面起着关键作用。在拟南芥叶片受到UVB损伤期间，自噬有助于线粒体质量控制。尽管受损，裂变后多余的线粒体也通过自噬被清除，例如在地钱精子发生过程中。因此，有可能仅清除碎片而不破坏整个细胞器。在黑暗诱导的衰老过程中，在拟南芥叶片中记录到线粒体外膜突起（MOPs）和线粒体衍生囊泡（MDVs）。有人提出，MDVs类似于质体衍生的RCBs，可以通过自噬被动员到液泡。整个线粒体以及MDVs的清除已被证实与哺乳动物的自噬有关，线粒体衍生区室（MDCs）与酵母有关。植物中线粒体的其他降解过程包括内部囊泡形成和外线粒体膜增殖，导致多泡体（MVBs）和细胞质囊泡化的产生。在病毒感染植物的线粒体中观察到这种线粒体解体。在光合作用减少期间，线粒体会异常拉长，并且缺乏嵴和基质。在水绵中，线粒体在极低光照强度下会肿胀并显示基质密度降低。这种肿胀和功能障碍是由线粒体通透性转换孔（MPTP）长时间开放触发的。然而，在发育过程中也记录了类似的线粒体退化。在筛管分化过程中，线粒体随着基质密度和内膜的减少而肿胀，形成含有嵴残余的囊泡。它们还表现出外膜增殖并随后融合。这种选择性线粒体降解发生在成熟的筛管中，尽管它们数量很少。