
細(xì)胞自噬(autophagy)是真核細(xì)胞內(nèi)一種高度保守的分解代謝過程。細(xì)胞通過細(xì)胞自噬不僅可以回收利用各種基本的生命物質(zhì),同時(shí)也可以清除入侵病原體、受損線粒體等有害物質(zhì)。因此,細(xì)胞自噬在眾多的生理過程中扮演著重要角色。與此同時(shí),眾多的人類疾病均與細(xì)胞自噬的功能異常密切相關(guān),比如癌癥、神經(jīng)退行性疾病等。在經(jīng)典的巨自噬(macroautophagy)過程中,細(xì)胞通過吞噬泡(phagophore)的引發(fā)、延伸進(jìn)而形成自噬體(autophagosome)來包裹細(xì)胞內(nèi)待降解的自噬底物,比如糖原、蛋白聚集物、受損細(xì)胞器和入侵病原體等。在吞噬泡的引發(fā)和延伸階段,WIPI2b蛋白招募并激活A(yù)TG12~ATG5-ATG16L1復(fù)合物,使其發(fā)揮類E3酶的活性,實(shí)現(xiàn)對ATG8家族蛋白的脂質(zhì)化修飾,進(jìn)而促進(jìn)吞噬泡的延伸和自噬體的形成過程。然而,其中WIPI2b蛋白招募ATG16L1復(fù)合物——這一關(guān)鍵自噬步驟的具體分子機(jī)制仍不清楚。
近期,中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所生命有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘李鋒研究組在《Science Advances》雜志發(fā)表了題為“ATG16L1 adopts a dual–binding site mode to interact with WIPI2b in autophagy”的研究論文(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf0824)。在該項(xiàng)研究中,其團(tuán)隊(duì)成員綜合運(yùn)用等溫滴定量熱技術(shù)、快速蛋白液相色譜和多角度光散射等多種生化表征手段,首次發(fā)現(xiàn)除了已經(jīng)報(bào)道的WIPI2b結(jié)合位點(diǎn)(WBS1)外,ATG16L1的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域上還存在另一個全新的WIPI2b結(jié)合位點(diǎn)(WBS2)。進(jìn)一步通過解析WIPI2b分別與ATG16L1的WBS1和WBS2的2個高分辨率的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu),該團(tuán)隊(duì)詳細(xì)揭示了WIPI2b招募ATG16L1復(fù)合物的分子機(jī)制和參與招募的關(guān)鍵氨基酸殘基。有趣的是,盡管ATG16L1的WBS1和WBS2競爭結(jié)合WIPI2b的同一個口袋,但是根據(jù)結(jié)構(gòu)建模的結(jié)果,ATG16L1與WIPI2b能以2:4的化學(xué)劑量比形成復(fù)合物。值得注意的是,ATG16L1的WBS1位點(diǎn)只存在于哺乳動物中,而WBS2在酵母和哺乳動物中都很保守。為了進(jìn)一步明確WBS2位點(diǎn)的自噬功能,該團(tuán)隊(duì)利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)在HeLa細(xì)胞系中成功敲除了ATG16L1基因,并設(shè)計(jì)回補(bǔ)了ATG16L1突變體D164R(破壞WBS2位點(diǎn))、L224Q(破壞WBS1微單)、DRLQ(同時(shí)破壞WBS1和WBS2位點(diǎn))和野生型的ATG16L1。后續(xù)通過檢測p62的降解程度以及LC3B的脂質(zhì)化修飾程度,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ATG16L1的WBS2位點(diǎn)對于自噬的正常進(jìn)行是不可或缺的,而ATG16L1的WBS1位點(diǎn)則起到進(jìn)一步促進(jìn)自噬流的作用??傊?,本項(xiàng)研究工作對核心自噬蛋白WIPI2b和ATG16L1之間的相互作用進(jìn)行了詳盡的生化和結(jié)構(gòu)表征,首次揭示了ATG16L1以雙結(jié)合位點(diǎn)模式結(jié)合WIPI2b的分子機(jī)制,并通過相關(guān)的細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ATG16L1和WIPI2b的雙位點(diǎn)結(jié)合模式在經(jīng)典自噬過程中的重要作用,為進(jìn)一步理解巨自噬過程的分子機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

圖1. WIPI2b結(jié)合ATG16L1的分子機(jī)制
潘李鋒課題組已畢業(yè)的博士生龔新宇為本文的第一作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、中科院和生命有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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