細(xì)胞自噬是真核細(xì)胞內(nèi)一種高度受調(diào)控的、溶酶體依賴的重要代謝途徑，其功能異常與大量的人類疾病密切相關(guān)，如癌癥、神經(jīng)退行性疾病等。自噬受體蛋白所介導(dǎo)的選擇性自噬可以降解特定的底物，包括內(nèi)源性的蛋白聚集體、受損細(xì)胞器、糖原和鐵蛋白等，因而在眾多的生理過程中發(fā)揮重要的功能。鐵是生命體內(nèi)不可或缺的微量金屬元素，參與紅細(xì)胞的生成、氧氣儲(chǔ)運(yùn)、DNA的復(fù)制和修復(fù)、線粒體底物的氧化磷酸化等生命過程。但是，細(xì)胞內(nèi)過量的鐵易引發(fā)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生有害的活性氧物種，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞造成不必要的損傷。因此，維持細(xì)胞內(nèi)的鐵穩(wěn)態(tài)對(duì)于細(xì)胞的正常運(yùn)行具有重要意義。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，多余的鐵主要存儲(chǔ)在鐵蛋白（Ferritin）中。自噬受體蛋白NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬可通過降解細(xì)胞內(nèi)的鐵蛋白，釋放其中儲(chǔ)存的鐵，進(jìn)而提升細(xì)胞內(nèi)的鐵水平。同時(shí)，為了防止鐵自噬過載導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，細(xì)胞內(nèi)NCOA4的蛋白水平受E3泛素連接酶HERC2的精準(zhǔn)調(diào)控，但是目前相關(guān)的深層次調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
近期，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘李鋒研究員團(tuán)隊(duì)在美國科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表了題為“Mechanistic insights into the iron-sulfur cluster-dependent interaction of the autophagy receptor NCOA4 with the E3 ligase HERC2”的研究論文（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2510269122）。該團(tuán)隊(duì)首先利用離子交換色譜、紫外-可見光吸收光譜、電子順磁共振、液體核磁共振等多種實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)自噬受體蛋白NCOA4識(shí)別E3泛素連接酶HERC2的區(qū)域含有一個(gè)可結(jié)合[2Fe-2S]簇的HBD結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域存在結(jié)合[2Fe-2S]簇或不結(jié)合[2Fe-2S]簇的兩種不同狀態(tài)。接著，該團(tuán)隊(duì)利用凝膠共遷移、等溫量熱滴定和分析型超速離心技術(shù)等多種實(shí)驗(yàn)方法，詳細(xì)研究了自噬受體蛋白NCOA4的HBD結(jié)構(gòu)域與HERC2之間的相互作用，首次發(fā)現(xiàn)含有[2Fe-2S]簇的NCOA4采用雙位點(diǎn)的作用模式分別結(jié)合HERC2的CPH和INBD結(jié)構(gòu)域，而不含有[2Fe-2S]簇的NCOA4僅通過單位點(diǎn)微弱地結(jié)合HERC2的CPH結(jié)構(gòu)域。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NCOA4與HERC2之間的相互作用受[2Fe-2S]簇結(jié)合的調(diào)控。隨后，利用X射線單晶衍射技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)首次解析了HERC2的CPH-INBD區(qū)域的單獨(dú)結(jié)構(gòu)以及含有[2Fe-2S]簇的NCOA4的HBD結(jié)構(gòu)域與HERC2的CPH-INBD區(qū)域的高分辨復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)NCOA4 HBD的N端區(qū)域結(jié)合了一分子[2Fe-2S]簇，并介導(dǎo)與HERC2的INBD結(jié)構(gòu)域之間的相互作用，而NCOA4 HBD的C端區(qū)域則結(jié)合HERC2的CPH結(jié)構(gòu)域。同時(shí)，將解析的復(fù)合物結(jié)構(gòu)與HERC2的CPH-INBD單獨(dú)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，HERC2的CPH結(jié)構(gòu)域未發(fā)生明顯變化，而INBD結(jié)構(gòu)域有非常大的構(gòu)象翻轉(zhuǎn)，表明NCOA4的結(jié)合可能會(huì)誘導(dǎo)HERC2發(fā)生構(gòu)象變化，進(jìn)而促進(jìn)后續(xù)HERC2介導(dǎo)的NCOA4的K48型泛素化修飾的發(fā)生。最后，基于相關(guān)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)分析、點(diǎn)突變生化和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了含有[2Fe-2S]簇的NCOA4采用雙位點(diǎn)來結(jié)合HERC2的獨(dú)特作用模式，并證實(shí)了細(xì)胞內(nèi)HERC2對(duì)NCOA4的降解作用依賴于其CPH和INBD結(jié)構(gòu)域的協(xié)同作用。基于本研究的發(fā)現(xiàn)以及先前關(guān)于NCOA4介導(dǎo)鐵自噬過程的相關(guān)報(bào)道，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)NCOA4介導(dǎo)鐵自噬以及受E3泛素連接酶HERC2調(diào)控的作用模型：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵含量較低時(shí)，鐵硫簇的合成也相應(yīng)減少，此時(shí)不含[2Fe-2S]簇的NCOA4不能有效地被HERC2所識(shí)別，因此細(xì)胞內(nèi)存在較多的NCOA4，其可誘導(dǎo)鐵自噬來提升細(xì)胞內(nèi)的鐵水平；而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵含量較高時(shí)，鐵硫簇的合成速度加快，促進(jìn)了NCOA4與[2Fe-2S]簇的結(jié)合，此時(shí)含有[2Fe-2S]簇的NCOA4能被HERC2高效的識(shí)別，并通過泛素-蛋白酶體途徑進(jìn)行降解，從而抑制了NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬過程的發(fā)生來防止細(xì)胞內(nèi)鐵過載引起的毒副作用。
圖1.?鐵自噬受體蛋白NCOA4結(jié)合HERC2的分子機(jī)制
綜上所述，該研究工作首次證實(shí)鐵自噬受體蛋白NCOA4可通過結(jié)合[2Fe-2S]簇來感受細(xì)胞內(nèi)的鐵水平，并通過解析相關(guān)的復(fù)合物結(jié)構(gòu)首次揭示了NCOA4結(jié)合[2Fe-2S]簇的分子機(jī)制以及NCOA4通過[2Fe-2S]簇依賴的雙位點(diǎn)作用模式來高效結(jié)合E3泛素連接酶HERC2的分子機(jī)制，拓展了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于HERC2調(diào)控自噬受體蛋白NCOA4介導(dǎo)的鐵自噬過程來維持細(xì)胞內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為未來靶向鐵自噬的藥物研發(fā)提供了新的潛在作用靶標(biāo)。
圖2.?自噬受體蛋白NCOA4介導(dǎo)鐵自噬過程及其受HERC2調(diào)控的模型示意圖
中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的博士研究生劉浩波為該論文的第一作者，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘李鋒研究員為該論文的唯一通訊作者。上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和生命過程小分子調(diào)控全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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