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中大發現植物獨有無膜區室 有助抵禦高溫壓力
香港中文大學（中大）生命科學學院莊小紅教授領導的研究團隊發現植物細胞中一種獨有的無膜區室，其透過生物分子凝聚作用形成，在自噬體生物合成過程發揮重要作用，有助分解因高溫而產生的聚集蛋白質，為植物抵禦高溫壓力的機制帶來新觀點。相關研究成果已刊登於頂尖跨學科期刊《美國國家科學院院刊》。
在經典教科書中，細胞區室（或稱為細胞器）被膜邊界分隔，以承載不同成分並執行特定的功能。自噬作用（autophagy）一詞源自於希臘語「自我吞噬」，形容細胞分解並回收舊成分的過程，類似將廢物裝入垃圾袋（即自噬體）並送往分解。與其他已存在的膜細胞器不同，自噬體為獨特的雙膜細胞器，其生物合成從零開始組裝。自噬體並非像粒線體或葉綠體可以從母細胞遺傳而來，相反，它們高度受誘導以滿足細胞需求，或在環境脅迫條件下清除不需要或有害的細胞成分並進行回收。自噬體生物合成先要組裝膜囊（即吞噬泡），隨後膜囊膨脹成片狀以隔離「貨物」，再封閉成一個完整的甜甜圈狀的雙層膜囊泡。目前，植物細胞中吞噬細胞起始的機制仍然未明。
自噬途徑需要一系列自噬相關蛋白（ATG）在自噬體形成的不同環節發揮特定功能。ATG8被認為是其中的關鍵成員，它可以透過一系列反應與自噬體膜連接，並作為自噬體結構的標籤蛋白。另一方面，ATG8可以透過選擇性自噬受體直接或間接地識別貨物。莊小紅教授領導的研究團隊採用鄰近依賴標記技術，通過對模式植物擬南芥中ATG8的鄰位蛋白組學分析，發現了一個新的與ATG8相互作用的蛋白質家族，命名為ERC（圖2）。團隊發現當阻斷ATG8與膜的連接時，ERC蛋白與ATG8蛋白竟形成一個巨大的無膜液滴結構。
近年研究顯示，細胞內特定分子可以透過相變過程形成無膜液滴，即生物分子凝聚體，類似於水中的油滴，而這種液滴可以在不形成膜邊界的情況下組織細胞功能。研究團隊結合時間與空間分析，發現ERC介導的生物分子凝聚體是植物特有的一類生物分子凝聚體，具有複雜的空間結構並且與細胞膜緊密關聯（圖2）。隨後對ERC鄰位組學分析發現ERC也與NBR1有相互作用，而NBR1已經被廣泛認為是動植物中保守的選擇性自噬受體。NBR1主要以靶向泛素化底物並透過自噬途徑降解，從而提高植物的耐熱性。功能分析進一步表明，ERC蛋白在高溫壓力下對NBR1的循環和植物生長發揮重要作用。
莊小紅教授表示：「我們非常興奮地觀察到，植物獨有的生物分子凝聚體在自噬體形成的最初階段，甚至在膜邊界形成之前就參與其中 。生物分子凝聚作為植物應對逆境的重要細胞組裝過程正逐漸被重視。未來，我們將進一步探索這些生物分子凝聚體組裝的分子機制，這可能為合成新型凝聚體以提升植物的抗逆性提供思路。」
博士研究生鍾家傑、羅啟正及趙梓煒作為該研究論文的共同第一作者，對本研究做出了同等貢獻。
由中大生命科學學院莊小紅教授領導的研究團隊，發現植物自噬中存在無膜凝聚物，有助於提升植物的耐熱性。部分研究團隊成員合照（左起）：趙梓煒、詹曉彤、莊小紅教授、黃錦波教授、鍾家傑及羅啟正。
ERC1介導的生物分子凝聚物呈現複雜的空間結構。
A. 鄰近標記組學分析發現ERC蛋白家族；
B. ERC1 在自噬體膜組裝前期與 ATG8 形成液滴狀凝聚物；
C. 活細胞實時成像技術追蹤ERC1液滴凝聚物融合過程（箭頭）；
D. 電子斷層掃描分析顯示了與膜（箭頭）緊密結合的無膜凝聚物 （白色）的空間結構。ER即內質網，而PVC/MVB即植物前液泡區室/多泡體。
