浙大劉偉組在細胞自噬領域取得重要進展

BioArt按：作為哺乳動物中唯一的III 型磷脂醯肌醇激酶（PI3K-III），VPS34催化底物磷脂醯肌醇（PI）磷酸化生成的3-磷酸磷脂醯肌醇（PI3P）為自噬小體（Autophagosome）形成所必需。迄今的研究表明，VPS34與其調控蛋白作用形成VPS34-p150-Beclin 1核心複合物是激活其活性的主要機制。近日，Molecular Cell雜誌在線發表來自浙江大學醫學院劉偉教授研究組題為「VPS34 acetylation controls its lipid kinase activity and the initiation of canonical and non-canonical autophagy」的研究論文，發現依賴乙醯轉移酶p300的乙醯化修飾在VPS34激活中的關鍵作用，闡述了這一新機制在啟動經典自噬和非經典自噬中的重要意義, 結果提示其對細胞內膜運輸的潛在重大影響。值得一提的是，劉偉教授是我國自噬領域的代表性學者，這是該課題組近兩年多來，在Molecular Cell雜誌上發表的第三篇自噬調控相關論文。2015年1月，該課題組闡述了核內LC3蛋白脫乙醯化修飾在自噬泡形成中的重要意義及其調控機制；2015年11月，該課題組組發現了一條激活組蛋白脫乙醯化酶Sirt1啟動細胞自噬的新的信號途徑。

論文解讀：

細胞自噬（Autophagy）是真核生物特有的進化上高度保守的依賴於溶酶體的細胞內分解代謝途徑，不僅是細胞感知能量缺乏和應激條件的適應性反應，而且參與很多重要的生理過程，在細胞穩態的維持中發揮關鍵作用（「自噬」獲諾獎為何只授予大隅良典？——梳理自噬領域重大發現歷程）。

自噬與組織器官發育、個體衰老、細胞免疫、腫瘤和神經退行性疾病的發生等密切相關。自噬發生需要經過自噬小體的形成、自噬小體與溶酶體的融合和自噬底物在溶酶體降解等過程。自噬小體的形成是自噬發生和完成的關鍵調控步驟，是當前細胞自噬研究的熱點內容。

自噬小體的形成需滿足兩個條件：一是定位內質網膜的VPS34激活催化PI生成PI3P，PI3P在內質網膜局部的富集造成自噬前體的發生，主要受AMPK-mTORC1-ULK1通路調控；二是重要自噬蛋白LC3與磷脂醯乙醇胺（PE）共價結合，形成具有膜結合能力的LC3-PE，促進自噬前體的延伸，主要受蛋白乙醯化/脫乙醯化信號調控（圖1）。已有研究表明，細胞內蛋白乙醯化水平的降低能充分誘導自噬小體的形成，這提示細胞乙醯化水平的改變除了調控LC3-PE的生成外，還能潛在調控PI3P的產生。而最近的研究發現，在特定應激條件下，細胞能不依賴於AMPK、mTORC1或ULK1等蛋白/蛋白複合物啟動自噬。這促使研究人員研究蛋白乙醯化修飾直接調控VPS34活性的可能性。

圖1 自噬小體形成的必要條件

該研究中，研究人員通過基因高表達、基因敲低/敲除、體外乙醯化反應、質譜分析和位點突變等手段發現組蛋白乙醯基轉移酶p300能直接乙醯化VPS34，並鑒定出K29、K771和K781是VPS34上的主要乙醯化位點。接下來，他們通過改變p300活性、製備應用VPS34模擬乙醯化和脫乙醯化突變體，結合免疫熒光實驗和一系列體外脂激酶實驗發現，乙醯化能抑制VPS34脂激酶活性，K29、K771和K781位點的脫乙醯化對VPS34的激活發揮協同效應，K771位點的脫乙醯化對VPS34的激活起決定作用（圖2）。

圖2 VPS34乙醯化調控其脂激酶活性

為揭示乙醯化修飾調控VPS34脂激酶活性的分子機制，他們首先檢測了乙醯化是否調控VPS34複合物的形成。出乎意料的是，只有K29位點的乙醯化抑制核心複合物VPS34-p150-Beclin 1的形成。那麼K771和K781位點的乙醯化為何能顯著調控VPS34活性呢？通過蛋白結構模擬、運用含有PI的脂質體，結合脂質體沉降實驗和蛋白質-脂質分子結合實驗，他們發現K771和K781位點的乙醯化雖然不會影響VPS34核心複合物的形成，但卻直接左右VPS34與其底物PI的結合，脫乙醯化能顯著和直接地增強VPS34-PI的親和力，從而解釋了K771位點乙醯化對VPS34活性的決定性調控作用，由此揭示了一個新的VPS34脂激酶活性調控機制。

繼而，研究人員檢驗了該p300-VPS34途徑在細胞自噬啟動中的作用。令人興奮的是，p300-VPS34途徑除了在營養缺乏誘導的經典細胞自噬中發揮作用外，對不依賴於VPS34 上游信號分子（AMPK、mTORC1或ULK）的非經典自噬的啟動至關重要（圖3）。這一發現為非經典自噬中自噬小體的形成提供了強有力的理論依據，也為深入研究非經典自噬的信號調控奠定了重要基礎。此外，研究人員還發現，該p300-VPS34途徑還參與VPS34相關的自噬小體與溶酶體的融合和內體至溶酶體的運輸。進一步的生理功能研究表明，這條途徑在小鼠肝臟自噬和肝細胞脂滴的代謝中發揮重要調控作用。

圖3 p300-VPS34途徑參與調控經典和非經典自噬的啟動

綜上所述，該研究發現並鑒定p300是VPS34的關鍵乙醯化酶，VPS34的乙醯化修飾對其活性、經典自噬和非經典自噬的啟動等至關重要。該研究不僅為進一步研究自噬啟動的分子機制、細胞能量營養代謝與細胞內膜運輸的關係提供了新思路，還有助於我們深入了解自噬相關人類疾病的發生機理。

據悉，劉偉教授研究組的博士生蘇華是本文的第一作者。該研究得到了國家自然科學基金重點項目和國家重點基礎研究發展計劃的資助。

參考文獻

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劉偉教授簡介

劉偉，現任浙江大學醫學院教授，醫學院生物化學系主任，「浙江省有突出貢獻中青年專家」，求是特聘教授。1987年畢業於第四軍醫大學空軍醫學系，1998年在日本名古屋大學獲醫學博士學位。1998至1999年在名古屋大學從事博士後研究，1999年至2001年任日本愛知醫科大學助理教授，主要從事腫瘤細胞信號轉導和細胞凋亡方面研究。2001年至2007年在美國國家衛生研究院（NIH）美國科學院院士Jennifer Lippincott-Schwartz實驗室，開展了細胞內囊泡運輸和高爾基體結構及功能研究，運用GFP和實時動態熒光漂白等細胞內可視化手段，在活細胞內系統研究了囊泡包被複合體的動力學，提出了新的COPI coat在高爾基體膜上形成和解聚模型。2007年受聘浙江大學醫學院教授、博士生導師，建立了以細胞器結構和功能為研究中心的細胞器生物學實驗室。目前的主要研究方向是細胞自噬的分子細胞學機制和自噬與腫瘤的發生。近5年來，以通訊作者身份在包括Mol Cell（3篇）,J Cell Biol, Autophagy, Hepatology等雜誌上發表多篇研究性論文。

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