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維持農作物營養和能量的平衡對其在逆境下的生長至關重要，然而惡劣氣候等問題引起的環境威脅，令農作物減產情況加劇。香港中文大學（中大）生命科學學院科研團隊成功從一種名為「擬南芥」的模式植物，發現細胞自噬的新機制。研究結果將為改良農作物的營養和能量以達至可持續發展提供重要依據，成果近日已發表於相關領域最具影響力的學術期刊《自噬》。

細胞自噬回收廢棄蛋白

細胞自噬（Autophagy）是細胞內重要物質進行降解循環的一種途徑，負責為細胞內的垃圾進行分類。例如養份供應緊缺、細胞內的蛋白質或細胞器受損時，細胞質內會產生一種雙層膜狀結構的自噬體，並充當回收車，將受損需要廢棄的蛋白質或細胞器（即垃圾）裝載起來，最終運送至植物液泡中進行分解。分解過程中釋放的小分子如氨基酸和能量等將用於合成新的蛋白質。不過，當自噬體的生物合成過程出現問題，細胞內的垃圾不能及時清除，便會累積過多廢棄蛋白質而產生毒性，加速細胞死亡和器官功能紊亂。因此，細胞自噬與衰老及許多疾病問題有著密切關係。

日本生物學家以「酵母」研究細胞自噬作用的研究於2016年獲得諾貝爾獎生理學或醫學獎，但細胞自噬的運作機制仍有不少基礎問題未解。目前已知的細胞自噬體蛋白超過40種，其中ATG8蛋白家族是生物合成過程中必需的一種調控蛋白。過往研究顯示，ATG8與受體蛋白NBR1的相互作用大多由稱為AIM（ATG8 family interacting motif）的氨基酸片段促使。然而，ATG8蛋白如何分辨垃圾的機制一直未明。

從「擬南芥」模式植物發現細胞自噬新模式

有見及此，中大生命科學學院助理教授莊小紅教授聯同結構生物學家兼生命科學學院院長黃錦波教授及卓敏生命科學教授姜里文教授，首次從結構生物學的角度揭開植物細胞內的「攻守」之道。研究團隊從一種開花植物「擬南芥」（又稱「阿拉伯芥」）的ATG8蛋白結構發現一種特殊的互作模式。在「擬南芥」擁有的三個具有SH3結構域的蛋白中，ATG8蛋白只會與SH3P2銜接蛋白產生相互作用；而受體蛋白NBR1的數量增減會影響ATG8與SH3P2的相互吸引力。這個新發現的機制說明了細胞自噬進行生物合成時，可根據其營養和能量需求，改變蛋白之間的相互吸引力，以調整自噬途徑的活躍程度，即按需要將較多或較少的垃圾運送至植物液泡進行分解再生，以維持細胞營養和能量的平衡。

莊小紅教授說﹕「是次研究為如何運用自噬途徑提高農作物在營養和能量的回收和再生，以進一步改良農作物的產量提供重要的參考方向。未來，團隊將繼續探索植物中的自噬機制，找出掌控代謝和調控的關鍵因素，以促進農作物的可持續發展。」

研究團隊成員亦包括孫爽莉博士、鐘健奔博士、李家明博士、研究生馮蘭蘭、張晞賢、雒夢倩、任凱克及羅啓正。

莊小紅教授簡介

中大生命科學學院助理教授、植物細胞學家莊小紅教授於植物自噬領域研究取得多項重要成果，至今於國際學術期刊發表30多篇論文，包括Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA、Autophagy、 The Plant Cell、Plant Physiology 以及 Trends in Plant Science等。莊教授亦榮獲2020/21年度香港研究資助局「傑出青年學者計劃」，以及2020/21年度「國家自然科學基金委員會與香港研究資助局聯合科研基金」等資助，支持研究開展。

論文全文請參閱﹕

Mechanistic insights into an atypical interaction between ATG8 and SH3P2 in Arabidopsis thaliana. Autophagy. 2021.
https://doi.org/10.1080/15548627.2021.1976965