細胞自噬是一種在真核細胞中高度受調(diào)控的、溶酶體依賴性的重要細胞代謝過程，主要參與降解細胞內(nèi)的大型蛋白聚集體、衰老損傷的細胞器以及侵入細胞的病原體等。它的功能異常與多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)，比如，大腦神經(jīng)細胞內(nèi)多聚谷氨酰胺(PolyQ)蛋白聚集體的異常降解會導(dǎo)致亨廷頓舞蹈癥(Huntington’s Disease), 而功能受損的線粒體的異常降解被認為與帕金森癥(Parkinson’s disease)的發(fā)生高度相關(guān)。
Optineurin(OPTN) 是一個多功能的自噬受體蛋白，在細胞選擇性自噬的底物識別環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要的作用，被報道參與選擇性自噬降解細胞內(nèi)衰老損傷的線粒體，毒性的蛋白聚集體以及入侵細胞的病原體，它的基因突變導(dǎo)致的功能異常與諸多神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如原發(fā)性開角型青光眼(POAG)和肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)。同時，近期的遺傳學(xué)研究表明：蛋白激酶TBK1的多種缺失體和點突變體與神經(jīng)退行性疾病ALS的發(fā)生有關(guān)，尤其是位于與OPTN相互作用的C末端區(qū)域的TBK1 E696K突變體和690-713缺失體。此外，在Parkin介導(dǎo)的降解線粒體的選擇性自噬(mitophagy)過程中，TBK1能夠與自噬受體蛋白OPTN相互作用，進而磷酸化OPTN的LIR區(qū)域和UBAN結(jié)構(gòu)域，從而參與調(diào)控相關(guān)的選擇性細胞自噬過程。但是，迄今為止，關(guān)于OPTN蛋白與TBK1相互作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、以及與POAG和ALS疾病相關(guān)的基因突變的致病機制仍然未知。近期，中科院上海有機化學(xué)研究所生命有機化學(xué)國家重點實驗室潘李鋒研究組在國際期刊《Nature Communications》發(fā)表了題為“Structural insights into the interactionand disease mechanism of neurodegenerativedisease-associated optineurin and TBK1 proteins”的研究論文(Nature Communications, 2016, DOI:http://www.nature.com/articles/ncomms12708)。
該團隊首先運用一系列的生化手段得到OPTN與TBK1發(fā)生相互作用的最小結(jié)合片段，然后運用X射線晶體衍射分析技術(shù)成功解析了OPTN與TBK1的復(fù)合物結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的TBK1與NAP1的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。這些解析的復(fù)合物結(jié)構(gòu)不僅首次闡述了蛋白激酶TBK1與OPTN和NAP1相互作用的分子機制，揭示了一種TBK1識別不同腳手架蛋白的通用結(jié)合模式，而且從結(jié)構(gòu)水平解釋了POAG相關(guān)的OPTN E50K突變體和與ALS相關(guān)聯(lián)的TBK1 E696K突變體的致病機制。此外，通過一系列的生物化學(xué)和細胞生物學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)：OPTN 的E50K突變不僅能增強與TBK1的相互作用，而且還能改變OPTN在細胞內(nèi)的聚集狀態(tài)；并且在細胞內(nèi)，TBK1 E696K點突變能特異性地打破TBK1與OPTN的相互作用，但并不顯著影響TBK1與其它受體蛋白的相互作用。此項研究為進一步理解和闡明自噬受體蛋白OPTN的作用機制，蛋白激酶TBK1參與調(diào)節(jié)OPTN介導(dǎo)的選擇性細胞自噬分子機制以及TBK1和OPTN相關(guān)的基因突變引起神經(jīng)退行性疾病的致病機理提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
潘李鋒課題組的博士生李發(fā)祥為本文的第一作者，上述研究工作得到國家青年千人計劃項目、科技部國家重點研發(fā)專項項目、科技部973計劃青年專題項目、國家自然科學(xué)基金委面上項目、上海市啟明星項目、生命有機化學(xué)國家重點實驗室及中國科學(xué)院的資助。
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