ATG8族蛋白與含LIR motif受體相互作用在選擇性自噬中的作用*

鄒金桃 周紅 蔡永青 李小麗△

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系學(xué)員十八營；2. 第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系藥理學(xué)教研室；3. 第三軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院藥劑科，重慶 400038)

綜 述

ATG8族蛋白與含LIR motif受體相互作用在選擇性自噬中的作用*

鄒金桃1周紅2蔡永青3李小麗2△

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系學(xué)員十八營；2. 第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系藥理學(xué)教研室；3. 第三軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院藥劑科，重慶 400038)

細(xì)胞自噬是一類在大多數(shù)真核生物中存在的細(xì)胞降解機(jī)制。傳統(tǒng)認(rèn)為，細(xì)胞自噬是一系列由細(xì)胞饑餓引起的無選擇性的細(xì)胞降解過程。而近年來，這種觀點(diǎn)被一系列選擇性自噬機(jī)制的發(fā)現(xiàn)而徹底改變。研究表明選擇性自噬主要依賴于兩類關(guān)鍵性蛋白的結(jié)合：ATG8族蛋白與含LIR(LC3-interacting region)motif的受體結(jié)合。

ATG8；LIR motif；選擇性自噬

自噬是真核細(xì)胞內(nèi)的降解機(jī)制之一。在自噬過程中，一個雙層膜結(jié)構(gòu)(自噬囊泡)延展并包裹一部分細(xì)胞質(zhì)，閉合形成自噬小體(直徑范圍：0.5 μm ～1.5 μm)。自噬小體通過兩種途徑形成自噬溶酶體：①與晚期內(nèi)體融合形成自噬內(nèi)涵體，再與溶酶體融合形成自噬溶酶體；②直接與溶酶體融合形成自噬溶酶體[1]。盡管傳統(tǒng)上認(rèn)為自噬沒有選擇性，但是近年來研究發(fā)現(xiàn)，這種降解過程也具有選擇性，稱為選擇性自噬(表1)。它能特異靶向于錯誤折疊蛋白質(zhì)、蛋白聚集體、過多或損壞的細(xì)胞器、甚至入侵的細(xì)菌體[2-5]，以清除受損的細(xì)胞質(zhì)成分，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

研究表明，選擇性自噬過程主要依賴于兩種蛋白質(zhì)之間的相互作用：①具有WXXL(X代表任何氨基酸)樣序列的LIR或叫做AIM(ATG8族蛋白作用域)motif的蛋白；②ATG8族蛋白。

1 ATG8族蛋白

1.1 物種間的分布

ATG8族蛋白是62種高度保守的真核蛋白家族中的一種[6]。酵母和一些特定的物種中只有一個ATG8基因，多細(xì)胞生物和一些原核生物具有幾個ATG8基因。動物的ATG8族蛋白由三個亞族組成，分別是：LC3、GABARAP、GATE-16。人體中含有一個GATE-16基因、兩個GABARAP基因、四個LC3基因[7]。

1.2 體內(nèi)分布

ATG8蛋白質(zhì)廣泛分布于所有細(xì)胞，但是特定的成員會在特定組織呈現(xiàn)高表達(dá)。LC3亞族中，LC3C一般比其他兩個成員表達(dá)要低，但是在肺中的表達(dá)卻占決定性地位[9,10]。GABARAP亞族在不同組織中的表達(dá)也呈現(xiàn)差異性，GABARAPL1主要表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，類似地，GATE-16主要表達(dá)于大腦中，而GABARAP主要出現(xiàn)于內(nèi)分泌腺體中[11,12]。

表1 選擇性自噬種類

注：“/”表示研究未確定具體的ATG8族成員。

1.3 ATG8蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

盡管ATG8蛋白在氨基酸序列上缺乏與泛素相似的證據(jù)，但是它們都具有與泛素結(jié)構(gòu)很強(qiáng)的相似性。第一個被測定結(jié)晶結(jié)構(gòu)的ATG8蛋白GATE-16包含兩個N端α螺旋和一個C端泛素核[8]。后來的研究確定了這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為所有ATG8蛋白所共有[7]。

2 含LIR模體的受體蛋白及其選擇性自噬過程

2.1 SLRs(Sequestosome-1(p62)-like receptors)

SLRs目前主要由p62，NBR1，NDP52，optineurin 和TAX1BP1(Tax1-binding protein 1)組成，它們有三個主要功能結(jié)構(gòu)域：一個發(fā)生二聚化或多聚化作用的結(jié)構(gòu)域；一個含LIR的結(jié)構(gòu)域；一個與泛素結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。這三個結(jié)構(gòu)域能夠保證選擇性自噬轉(zhuǎn)運(yùn)體受體功能的高效發(fā)揮[13-16]。

其選擇性自噬過程為，SLRs通過其UBA(Ubiquitin-associated domain)區(qū)與細(xì)胞內(nèi)的泛素化蛋白相結(jié)合，進(jìn)而在PB1(Phox and Bem1 domain)區(qū)的作用下形成大的蛋白聚集體，這種聚集體引起p62構(gòu)象的改變，暴露出LIR區(qū)，使得聚集體靶向ATG8族蛋白，相互結(jié)合，進(jìn)而通過自噬途徑被降解。

2.2 線粒體的選擇性自噬受體蛋白

線粒體選擇性自噬受體蛋白目前包括Atg32，NIX(Bnip3L)，Bnip3(BCL2 homology 3(BH3)-only protein 3)，F(xiàn)UNDC1。它們具有的兩個共同功能性結(jié)構(gòu)域：a、跨膜結(jié)構(gòu)域；b、一個LIR模體(位于N端)。Atg32、NIX、Bnip3均只含有一個跨膜結(jié)構(gòu)域跨過線粒體外膜，其N端位于細(xì)胞質(zhì)中，C端位于線粒體，而FUNDC1含有三個跨膜結(jié)構(gòu)域[1]。

其選擇性自噬過程為，線粒體自噬受體通過跨膜結(jié)構(gòu)域固定于線粒體外膜上，通過N端(胞質(zhì))的LIR模體靶向LC3，進(jìn)而通過自噬途徑被降解。另外,當(dāng)線粒體損傷時，失去膜電位，PINK1募集Parkin使線粒體泛素化，從而線粒體上的泛素結(jié)合p62、NBR1等自噬受體參與上述SLRs介導(dǎo)的自噬過程[26]。

3 選擇性自噬的條件

酵母Cvt(Cytoplasm to vacuole targeting)通路揭示了選擇性自噬中兩種必須滿足的條件：①底物必須寡聚或體積足夠大以便于多種受體結(jié)合到它的表面。結(jié)合多種受體可以聚集足夠多、相距近的UBL(泛素類似物，主要包括ATG8/LC3)，為自噬囊泡(Autophore)的募集做好準(zhǔn)備。而且，受體和ATG8/LC3的寡聚化有效增加本來相對弱的LIR-ATG8作用[21]；②受體必須同時與底物和ATG8/LC3結(jié)合。

另一方面，在巧妙的酵母實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)ATG8-PE持續(xù)地、不依賴自噬誘導(dǎo)因素地與各類膜結(jié)合[22-24]?；谏厦媸聦?shí)，Vladimir Rogov及其同事提出了一個選擇性自噬的模型(圖1)[25]：

(1)底物被修飾，例如：需要降解的蛋白會被泛素化。

(2)受體與底物結(jié)合：寡聚化的選擇性自噬受體直接與底物結(jié)合，或通過泛素間接與底物結(jié)合。同時，這種結(jié)合會促進(jìn)它的進(jìn)一步修飾(例如：暴露LIR結(jié)構(gòu)域，而且在泛素連接酶的作用下會進(jìn)一步泛素化)。底物通過受體結(jié)合到自噬囊泡：在膜上PATG8/LC3/GABARAPs和結(jié)合底物的受體作用，同時可能存在膜上ATG5-ATG12-ATG16復(fù)合體與底物上的泛素或受體作用(例如：通過前面提及的ALFY，ALFY可以與ATG5相互結(jié)合)的條件下，已存在的自噬囊泡與底物結(jié)合。

(3)核心復(fù)合體(Nucleation complex)結(jié)合到自噬囊泡上：ULK1(Atg1同源蛋白)復(fù)合物通過ATG8/LC3/GABARAPs、ATG16兩者或兩者中的一個被募集到自噬囊泡上，vps34通過與ULK1作用被募集到自噬囊泡上，最終構(gòu)成核心復(fù)合體。

(4)自噬小體成熟：核心復(fù)合體，ATG5-ATG12-ATG16復(fù)合體和其他相關(guān)ATG蛋白促進(jìn)自噬囊泡繞著底物擴(kuò)展成自噬小體。

(5)融合：自噬小體與溶酶體融合。

圖1 選擇性自噬模型

4 小結(jié)及展望

ATG8族蛋白與含LIR模體的選擇性自噬受體之間的作用是選擇性自噬中關(guān)鍵步驟，是聚集的底物與自噬囊泡間結(jié)合形成自噬小體的必要條件。這種作用在許多類型的選擇性自噬中都扮演了相似的角色。這種作用廣泛存在于各類真核細(xì)胞內(nèi)，參與了包括巨噬細(xì)胞清除病原體、抗原呈遞細(xì)胞呈遞MHCⅡ類抗原肽、紅細(xì)胞成熟過程中清除線粒體等過程。

基于上述事實(shí)：一、目前LC3已作為檢測自噬很好的標(biāo)志分子，是否相應(yīng)的含LIR的選擇性自噬受體能否作為一些細(xì)胞選擇性自噬過程的標(biāo)志物以更好的反應(yīng)某些疾病過程或免疫過程？二、在一些神經(jīng)退行性疾病中，由于突變后的蛋白質(zhì)不能進(jìn)入正常的降解型選擇性自噬，而在胞質(zhì)內(nèi)聚集形成聚集物誘導(dǎo)了細(xì)胞凋亡型的選擇性自噬。那么是否可以修飾某些含LIR模體的受體蛋白使之能與突變后的蛋白結(jié)合，從而誘導(dǎo)其進(jìn)入降解型的選擇性自噬過程中？三、在肺結(jié)核中，結(jié)核桿菌分泌硫酸腦苷脂等酸性脂類從而阻止了吞噬體與溶酶體融合從而避免被清除掉，而在吞噬體中繼續(xù)繁殖。是否可以利用選擇性受體募集某些酶類到吞噬體內(nèi)，使硫酸腦苷脂等酸性脂類變成脂溶性，從而與抗原呈遞中的含疏水性孔道的CD1分子結(jié)合，最后使吞噬體能與溶酶體結(jié)合？因此，選擇性自噬可能會成為某些疾病治療的新靶點(diǎn)。

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Interaction of LIR motif with the ATG8 protein family is crucial for selective autophagy*

Zou Jin-tao1, Zhou Hong2, Cai Yong-qing3, Li Xiao-li2△

(1.Student Regiment 18, College of Pharmacy, Third Military Medical University;2.Department of Pharmacology, College of Pharmacy, Third Military Medical University;3.Department of the Pharmacy, The Thind Affiliated Hospital of Third Military Medical University, Chongqing 400038)

*國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(編號：81302797)；第三軍醫(yī)大學(xué)教育改革課題面上項(xiàng)目(2014B03)

鄒金桃，男，在讀藥學(xué)專業(yè)2012級本科生， Email：definzyz1993@sina.com。

△通訊作者：李小麗，女，講師，主要從事抗腫瘤藥物中自噬的作用機(jī)制研究，Email：plum181181@126.com。

2015-3-20)