上海有機所在自噬受體蛋白結合自噬起始ULK復合物的分子機制方面取得新進展
細胞自噬（Autophagy）是真核細胞中一種高度受調控的、溶酶體依賴的細胞代謝過程，對于維持細胞內穩(wěn)態(tài)以及促進細胞的生長、發(fā)育和存活具有至關重要的作用。選擇性自噬通過自噬受體蛋白來特異性地識別和降解特定的底物，包括蛋白聚集體、受損線粒體、外源性的入侵病原體等。選擇性自噬在眾多的生理過程中扮演著重要的角色，其功能異常也與大量的人類疾病相關聯，比如，神經退行性疾病和微生物感染等。在哺乳動物細胞中，自噬起始ULK復合物由ULK1、ATG13、ATG101、FIP200四個亞基組成，其直接參與自噬前體形成的啟動過程。在一些選擇性自噬過程中，自噬受體蛋白可通過結合ULK復合物中的FIP200亞基來招募和激活ULK復合物，并在自噬底物附近原位（in situ）介導自噬前體的形成。但是，目前自噬受體蛋白通過結合FIP200來招募ULK復合物的分子機理和相關的調控機制仍然未知。
近期，中科院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室的潘李鋒課題組在Nature Communications雜志發(fā)表了題為“Phosphorylation regulates the binding of autophagy receptors to FIP200 Claw domain for selective autophagy initiation”的研究論文（https://www.nature.com/articles/s41467-021-21874-1）。該團隊通過綜合利用液體核磁共振技術、快速蛋白液相色譜、分析型超速離心和熒光偏振等生化研究手段，首次發(fā)現自噬受體蛋白CCPG1(參與介導內質網選擇性自噬過程)的FIR2基序的磷酸化修飾以及TBK1激酶介導的自噬受體蛋白Optineurin(參與介導蛋白聚集體、入侵病原體、受損線粒體的選擇性自噬過程)的LIR基序區(qū)間的磷酸化修飾會調控和增強FIP200 Claw結構域與CCPG1 FIR2或Optineurin LIR的相互作用。隨后，該團隊通過X射線單晶衍射方法首次解析了FIP200 Claw結合磷酸化的CCPG1 FIR2 (p-CCPG1 FIR2) 和Optineurin LIR （p-Optineurin LIR）的高分辨復合物結構。與生化結果一致，相關的結構分析顯示FIP200 Claw結構域以穩(wěn)定的二聚體存在，并對稱地結合兩個磷酸化的LIR或FIR形成異源四聚體，并且p-CCPG1 FIR2與p-Optineurin LIR中的磷酸化修飾對增強它們與FIP200 Claw相互作用的機制是不同的。最后，基于解析的復合物結構和相關的生化研究，該團隊首次系統(tǒng)定義了可與FIP200 Claw發(fā)生相互作用的FIR基序的序列模式，并且分析發(fā)現大量自噬受體蛋白的經典LIR基序區(qū)間都包含了FIR基序，可發(fā)揮識別FIP200的功能。同時，進一步的生化實驗揭示了CCPG1 FIR2和Optineurin LIR都可以通過相同的氨基酸殘基競爭結合FIP200 Claw和ATG8家族蛋白，表明自噬受體蛋白在識別自噬底物后應該先通過結合FIP200招募ULK復合物，然后原位介導自噬前體的產生，后續(xù)再通過結合ATG8家族蛋白來促進自噬前體的延伸和閉合過程。綜上所述，該團隊的研究工作首次揭示了一種普遍的、可受磷酸化調控的自噬受體蛋白結合FIP200 Claw結構域來招募自噬起始ULK復合物的新機制，對進一步理解自噬受體蛋白介導的選擇性自噬過程具有重要的指導性意義。
潘李鋒課題組的博士生周子璇為本文的第一作者。上述研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、中科院和生命有機化學國家重點實驗室的資助。
圖 自噬受體蛋白CCPG1和Optineurin通過結合FIP200招募ULK復合物的分子機制
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