影響植物種子保存期限的基因

不知道大家是否有聽過，動物有一種對細胞凋亡（apoptosis）很重要的酵素叫做「胱天蛋白酶」（caspase）？在人類，我們有至少12個這種酵素。第一個被發現的胱天蛋白酶是在1986年，那時候在麻省理工學院的研究團隊，發現某些秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的基因如果發生突變，則線蟲所有的細胞都會活下來；若另一個基因發生突變，則所有的細胞都會死掉，從而發現這些基因都與細胞凋亡有關。

後續的許多研究發現，原來這些基因都是「胱天蛋白酶」。之所以會叫做「胱天蛋白酶」，是因為這些酵素的活化位址都有一個半胱胺酸（cysteine），而被它切割的蛋白質，切割的位置都在天冬胺酸（aspartic acid）的後面。

目前對動物的胱天蛋白酶的功能已經相當清楚，主要就是負責與細胞凋亡相關的業務，而且當胱天蛋白酶發生突變時會致癌。

後來，有科學家發現植物裡面也有胱天蛋白酶。但是植物的胱天蛋白酶只有部分長得像動物的胱天蛋白酶，有些部分還是不像的。這就引起了科學家的興趣了。

而且，植物的胱天蛋白酶（被稱為metacaspase）還被分為兩類，MCA-I與MCA-II。阿拉伯芥中有9個胱天蛋白酶基因，其中3個屬於type I，6個屬於type II。由於這些胱天蛋白酶彼此會互相cover，使得要研究它們的功能極其困難。

幸好，在CRISPR技術出現之後，要剔除特定的基因就沒有以前那麼難了。於是，研究團隊把阿拉伯芥的六個MCA-II通通「砍」掉，看看到底會發生什麼事。

結果他們發現，完全沒有MCA-II的阿拉伯芥，開花稍微早了點（4-8天）、葉片鋸齒變得不明顯、葉片衰老也早了點。但是，並沒有出現任何細胞凋亡的障礙。

那麼，到底這些MCA-II還有沒有什麼其他值得注意的性狀呢？研究團隊中一個比較細心的成員注意到，完全沒有MCA-II的阿拉伯芥種子發芽比較快。於是，他們決定來試試看是否有發芽障礙存在。

結果發現，放超過三個月的無MCA-II阿拉伯芥種子，發芽率明顯降低（請見下圖）；觀察發現種子裡面的儲存泡出現扭曲破碎以及蛋白質累積的現象，意味著缺少這些MCA-II會影響蛋白質分解。

蛋白質分解路徑有好幾種，最後研究團隊發現，MCA-II與內質網相關分解（ER–associated degradation，ERAD）有關。這個機制主要的功能是把無法正確折好或組裝的蛋白質給分解掉。

而負責ERAD的一個重要角色是CDC48。研究團隊發現，MCA-II們與CDC48在內質網以及脂滴上面都出現在同一個位置，意味著它們之間可能有重要的關連。CDC48的功能是把無法正確折好或組裝的蛋白質給「抓」出來，但是如果沒有所謂的「接頭蛋白」（adaptor）就辦不到。

細胞裡面有16個接頭蛋白，是哪一個跟這件事有關呢？研究團隊注意到其中的一個（稱為PUX10）在沒有MCA-II的植物中累積，於是他們認為應該就是它，後續的實驗也證實了的確就是它。

後續的研究發現，當脂滴上的油體蛋白（oleosins）被泛素化之後，PUX10就會把油體蛋白給認出來，然後召喚CDC48過來把油體蛋白「抓」出來，以便進行後續的分解。但是，MCA-II會切割PUX10，讓PUX10變得不穩定。

總而言之，當MCA-II完全不存在時，PUX10因為沒有被切割而變得穩定；更多的PUX10會將CDC48招募並滯留在脂滴上，造成CDC48在內質網（ER）的定位減少。

由於CDC48在內質網的減少，內質網相關分解（ERAD）過程受到影響，導致錯誤折疊或損壞的蛋白質在內質網中累積無法被分解。於是就出現了扭曲、破碎的儲存泡。

而由於CDC48滯留在脂滴上，導致油體蛋白水平顯著降低。這造成脂滴變大，數量減少。

所有這些，最後就導致種子的壽命變短。所以植物的胱天蛋白酶還真是很奇妙！更奇妙的是，阿拉伯芥裡那6個MCA-II的確是可以互相cover，當研究團隊把其中一個MCA-II放進完全沒有MCA-II的阿拉伯芥裡，植物就幾乎恢復正常啦！

參考文獻：

Liu, C., Hatzianestis, I.H., Pfirrmann, T. et al. Seed longevity is controlled by metacaspases. Nat Commun 15, 6748 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50848-2