圖：植物和動物細胞中程序性細胞死亡的調控模式

程序性細胞死亡是一種受到遺傳調控的細胞死亡方式，在動植物的生長發育和抵禦生物與非生物脅迫過程中均具有重要作用。已有研究表明葉綠體和線粒體都在植物程序性細胞死亡中發揮重要作用，但此二者是否存在信号交流，以及如何協同作用共同調控程序性細胞死亡等方面尚不清楚。此前，中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室李家洋研究組克隆了一個拟南芥細胞死亡突變體 mosaic death 1 (mod1)。MOD1 編碼一個烯酰 -ACP 還原酶，對于葉綠體中脂肪酸合成至關重要 (Mou et al., Plant Cell, 2000)。通過對 mod1 抑制突變體的研究發現，mod1 突變體中存在活性氧積累，而線粒體電子傳遞鍊複合體 I 的活性降低能夠抑制 mod1 中活性氧的積累，從而抑制細胞死亡的發生(Wu et al., Cell Res, 2015)。這一結果暗示，在 MOD1 突變導緻的細胞死亡過程中可能存在葉綠體到線粒體的信息交流。

通過對不影響線粒體複合體 I 活性的 mod1 抑制突變體進行研究，李家洋研究組篩選并克隆了 3 個新的抑制基因：質體定位的 NAD 依賴的蘋果酸脫氫酶 (plNAD-MDH)，葉綠體被膜定位的二羧酸轉運蛋白 1 (DiT1)，和線粒體定位的蘋果酸脫氫酶 1 (mMDH1)。這三個基因都是植物蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑中的重要成員，每個基因的功能喪失均可以抑制 mod1 中活性氧的積累和細胞死亡的發生。實驗結果表明，MOD1 功能降低導緻其底物 NADH 在葉綠體中大量積累，進而使得攜帶着還原力的蘋果酸通過蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑進入線粒體中，導緻線粒體中 NADH 水平的升高，引發活性氧的産生和細胞死亡的發生。進一步研究表明，該途徑在連續光照導緻的活性氧的産生與氧化脅迫中發揮重要功能。此外，蘋果酸處理 HeLa 細胞能夠誘導活性氧的産生和細胞死亡的發生，且線粒體定位的蘋果酸脫氫酶在其中發揮重要作用。該研究結果證明了在植物的程序性細胞死亡途徑中存在葉綠體到線粒體的信息交流(Chloroplast-To-Mitochondria communication)，蘋果酸 - 草酰乙酸穿梭途徑在其中發揮關鍵作用，且在動物中存在保守的細胞質到線粒體的細胞死亡調控機制。

該研究成果于 2018 年 3 月 14 日在 Cell Research 雜志在線發表(DOI:10.1038/s41422-018-0024-8)。李家洋研究組博士研究生趙豔楠、博士後羅麗蘭和黃勳研究組助理研究員許捷思為該論文的共同第一作者，李家洋研究員、黃勳研究員和餘泓副研究員為共同通訊作者。合作者主要包括中科院遺傳發育所的褚金芳博士、左建儒研究員、王國棟研究員。該研究得到了國家自然科學基金項目和中國科學院戰略先導專項的資助。

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