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自身所张宏实验室在,杂志上在线公布题为

2019年7月14日 - 美高梅mgm02233.com
自身所张宏实验室在,杂志上在线公布题为

12月17日,中国科学院生物物理研究所张宏课题组和日本微生物化学所Nobuo N.
Noda课题组合作,在国际刊物《分子细胞》(Molecular
Cell
)上,在线发表了题为Structural basis of the differential function
of the two C. elegans Atg8 homologs, LGG-1 and LGG-2, in
autophagy
的研究论文,揭示了线虫中两个Atg8的同源基因LGG-1和LGG-2在蛋白聚集体自噬降解中的不同功能。

2012年7月5日,我所张宏实验室在《Journal of Biological
Chemistry》杂志上在线发表题为“Differential function of the two Atg4
homologues in the aggrephagy pathway in C.
elegans”的文章。该文章报道了线虫中的Atg4的两个同源基因在细胞自噬过程中表现出了不同的剪切活性,同时存在着一定程度的功能丰余性。

,我所张宏实验室在《Autophagy》杂志上在线发表题为“The coiled-coil domain
protein EPG-8 plays an essential role in the autophagy pathway in C.
elegans.”的文章。该文章报道了线虫中的epg-8编码的Atg14同源基因在自体吞噬过程中发挥着重要作用。

细胞自噬(autophagy)是一种自噬小体介导的细胞降解途径。自噬过程包括自噬小体的形成、延伸、闭合以及与溶酶体的融合。目前研究发现,自噬可以选择性地识辨并降解蛋白聚集体。ATG8-PE泛素系统在自噬小体的形成过程中具有核心的作用。ATG8-PE可以与自噬受体蛋白(如p62和NBR1)相互作用,进而招募特异降解的蛋白底物。高等动物中的自噬过程比单细胞酵母中要复杂得多,一方面是由于酵母中的一个自噬基因在高等动物中有多个同源基因发挥类似的功能,另一方面是由于高等动物又进化出了一系列特异的自噬基因,如张宏课题组前期鉴定的EPG基因。多细胞生物至少存在着七个酵母ATG8基因的同源物,都属于LC3和GABARAP/GATE-16家族蛋白。但它们在不同的发育时期参与细胞自噬各阶段的功能仍然未知。

细胞自噬在进化过程中是高度保守的,在生物体的生长发育,应对环境胁迫等生理过程中发挥着重要作用。参与自噬作用的多数分子在酵母和多细胞生物中是保守的,但自噬作用的机制在多细胞生物中较之酵母复杂得多。同一酵母的Atg蛋白在多细胞生物中拥有多个同源基因便是这种复杂性的一个重要体现。Atg4是一种半胱氨酸蛋白酶,可以通过剪切和去脂作用调节Atg8蛋白的脂化修饰。在哺乳动物细胞中,分化出了四个Atg4的同源基因,Atg4A、Atg4B、Atg4C和Atg4D,但它们各自的功能分化和生理学上的意义仍是未知。

细胞自噬是一种在进化过程中高度保守的过程,在生物体的发育和各种生理过程中发挥重要作用。参与这一过程的多数分子在酵母和多细胞动物中是保守的,但部分重要的基因在进化过程中是不保守的,难以通过序列比对找到相关同源基因。

在此研究中,张宏等对线虫中两个Atg8的同源基因LGG-1和LGG-2进行了结构和功能上的研究。不同于lgg-1在蛋白聚集体自噬过程中的不可或缺,lgg-2表现出了不同降解底物的特异性和不同发育阶段的特异性。LGG-1和LGG-2可以与不同的细胞自噬底物和自噬蛋白相互作用,这些互作蛋白几乎都含有LIR
motif。基于LGG-1和LGG-2结构的差异,它们对不同类型的LIR
motif存在特异的偏向性,并确保了自噬蛋白被招募的先后顺序,进而决定了它们在自噬降解作用的不同步骤发挥作用。

秀丽线虫中包含了两个Atg4的同源基因,atg-4.1和atg-4.2。本研究中,我们通过遗传筛选获得了七个atg-4.1的突变体,显示出在自噬作用底物蛋白聚集体降解上的缺陷。在atg-4.2失去功能的情况下,自噬作用底物降解没有出现明显缺陷。LGG-1/Atg8的前体只在atg-4.1的突变体中大量积累。我们发现atg-4.1和atg-4.2同时功能缺失是致死的,并且在其胚胎时期不能检测到LGG-1/Atg8的脂化修饰形式。体外酶活分析表明ATG-4.1对LGG-1的剪切作用比ATG-4.2更为高效。外源性表达剪切后的LGG-1/Atg8形式可以解除atg-4.1的突变体中蛋白聚集体降解上的缺陷,并在一定程度上缓解atg-4.1;
atg-4.2双重突变体中蛋白聚集体的累积。

本文中,我们利用线虫作为模式生物进行遗传筛选,得到了1个多细胞生物特异的自噬基因,命名为epg-8
。epg-8缺失功能后,P颗粒的降解发生缺陷,同时epg-8突变体也具有其他自体吞噬突变体的缺陷,例如不能降解其他的自体吞噬底物、线虫生长发育延缓、在饥饿情况下的存活能力降低等。epg-8编码线虫特异的蛋白,蛋白序列比对发现其和酵母中Atg14以及哺乳动物Atg14L序列差异很大。但结构域分析表明其含有两个连续的coiled-coil结构域,并且与线虫中Bec1相互作用,进一步验证epg-8在线虫发挥Atg14的功能。

LGG-1和LGG-2有两个疏水口袋,W位点和L位点,这两个位点可以识别Atg8结合蛋白的LIR结构域。通过对比,张宏等发现,LGG-1和LGG-2的W位点和L位点有显著差异,它们识别不同的LIR结构域,进而结合不同的Atg8结合蛋白。他们还发现,LGG-1和LGG-2的氨基端分别呈现闭合构象和开放构象,氨基端的差别也导致了它们在介导膜锚定和膜融合上的活性差异。

我所博士研究生吴凡为文章的第一作者,论文的其它作者包括李玉平,王付欣以及日本的Nobuo
N.
Noda博士。张宏博士为本文的通讯作者,该项研究由科技部和北京市政府资助,在北京生命科学研究所完成。

杨培国为文章的第一作者,博士为本文的通讯作者,该项研究由科技部863项目和北京市政府资助,在北京生命科学研究所完成。

LGG-1和LGG-2在自噬过程中的功能差异,为科学家研究哺乳动物细胞中GABARAP和LC3家族蛋白在自噬通路中功能的异同提供了线索。以往人们认为参与自噬作用的同源基因参与不同自噬底物的降解。但张宏等的研究表明,多细胞生物中,自噬基因还会表现出不同降解底物的特异性和不同发育阶段的特异性。

张宏和Nobuo N.
Noda是本文的通讯作者。张宏课题组的博士吴凡完成了本课题的大部分工作;Noda课题组的博士Yasunori
Watanabe和冯巍课题组的博士生齐欣解析了多个LGG-1和LGG-2的晶体结构;胡俊杰课题组的博士生郭向阳完成了膜锚定和融合的实验;他们被列为共同第一作者。

该项目得到了国家自然科学基金、科技部重大科学研究计划、日本优先领域科学研究资助项目,以及霍华德•休斯医学研究所青年科学家奖的资助。

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图片 1

LGG-1和LGG-2在结构上的差异以及LGG-2表现出降解底物特异性和发育阶段特异性

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