Sci Adv | 潘李锋课题组揭示自噬受体蛋白NDP52招募ULK复合物和TBK1复合物的分子机制
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关键词：
受体揭示
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发布时间：
2021-08-16
责编 | 酶美
细胞自噬是哺乳动物细胞中高度受调控的、依赖溶酶体来降解大型蛋白聚集体、受损细胞器、入侵病原体等成分以应对内外界细胞压力和维持细胞动态平衡的重要分解代谢过程。细胞自噬在细胞生长、胚胎发育、免疫反应等众多的生理过程中扮演着重要的角色，同时细胞自噬的功能异常与癌症、神经退行性疾病等多种人类疾病密切相关。自噬底物的降解过程传统被认为是没有选择性的，但近期的研究表明有很多自噬底物的降解过程是具有高度选择性的，比如入侵病原体的选择性自噬过程
（xenophagy）
、线粒体的选择性自噬过程
（mitophagy）
、内质网的选择性自噬过程
（reticulophagy）
等。在这些选择性自噬过程中，自噬受体蛋白
（autophagy receptor）
发挥非常关键的作用，其可以选择性地识别待降解的自噬底物，并介导随后的选择性自噬过程。NDP52是哺乳动物细胞中一个重要的自噬受体蛋白，在入侵的病原体
（如鼠伤寒沙门氏菌）
、去极化的受损线粒体的选择性自噬降解过程中发挥重要作用。自噬起始ULK复合物
（由ULK1、ATG13、ATG101、RB1CC1四个亚基组成）
和TBK1激酶的招募对于NDP52介导的选择性自噬至关重要。研究表明，NDP52氨基端的SKICH 结构域可以直接与接头蛋白 NAP1结合，从而招募TBK1激酶。除此之外，NDP52还被报道通过结合RB1CC1来招募自噬起始ULK复合物。然而，NDP52与RB1CC1相互作用的分子机制以及NDP52、NAP1、RB1CC1、ATG8家族蛋白之间的相互作用关系目前仍不清楚。
近日，中科院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室的潘李锋课题组在Science Advances发表了题为
Structural and biochemical advances on the recruitment of the autophagy-initiating ULK and TBK1 complexes by autophagy receptor NDP52
的文章，
首次系统揭示了NDP52通过双位点结合RB1CC1来招募自噬起始ULK复合物的分子机制，并对NDP52、NAP1、RB1CC1、ATG8家族蛋白之间相互作用的分子机制提供了新见解。
该团队综合利用凝胶共迁移、等温量热滴定、分析型超速离心和液体核磁共振等实验方法，详细研究了自噬受体蛋白NDP52与RB1CC1之间的相互作用，首次发现除了其SKICH结构域可以结合RB1CC1的C端第二个Coiled-coil区域外，NDP52的非经典LIR区域也可以特异性地结合RB1CC1的Claw结构域，因此NDP52会采用双位点的作用模式来结合RB1CC1。随后，利用X射线单晶衍射技术，该团队首次解析了NDP52 SKICH/RB1CC1 Coiled-coil复合物的晶体结构，并基于该团队过去解析的NDP52的SKICH结构域结合NAP1的复合物结构
（PNAS, 2018, 115, E11651-E11660）
，发现NDP52的SKICH采用完全不同的区域和作用模式去结合RB1CC1和NAP1。有趣的是，后续的结构分析和生化研究表明RB1CC1和NAP1会通过别构效应竞争结合NDP52的SKICH结构域，但是由于NAP1的FIR模序的存在可以介导RB1CC1/NDP52/NAP1三元复合物的形成。同时，该团队也首次解析了NAP1的FIR模序结合RB1CC1的Claw结构域的复合物结构，详细阐明了NAP1结合RB1CC1的分子机制，并基于氨基酸序列比对分析发现NAP1的FIR与NDP52的非经典LIR具有非常相似的序列类型，进一步通过点突变等生化实验证实NDP52的非经典LIR模序也采用相似的作用模式去结合RB1CC1的Claw结构域，进而系统阐明了NDP52和RB1CC1之间相互作用的分子机制。
图1：NDP52和NAP1结合RB1CC1的生化和结构数据
此外，通过相关的生化研究，该团队首次发现与NDP52的LIR类似，NAP1的FIR也可以选择性地识别ATG8家族蛋白，并进一步解析了NAP1的FIR结合GABARAP的复合物结构，揭示了NAP1识别ATG8家族蛋白的分子机制。同时，通过phos-tag胶、磷酸化质谱分析等实验方法证明了TBK1能通过磷酸化NDP52的LIR模序中的T137氨基酸残基增强其与ATG8家族蛋白之间的相互作用，并发现RB1CC1的Claw结构域和ATG8家族蛋白会竞争结合NDP52的LIR模序。本研究的相关实验结果表明自噬受体蛋白NDP52在识别自噬底物后可能先通过结合RB1CC1招募ULK复合物，并通过NAP1招募TBK1激酶，然后原位介导自噬前体的产生，同时激活的TBK1可通过磷酸化NDP52来增强其结合ATG8家族蛋白的能力，从而进一步促进后续自噬前体的延伸和闭合过程。
图2：NDP52在选择性自噬过程中招募ULK复合物、TBK1复合物以及ATG8家族蛋白的工作模式图
综上所述，
该研究工作首次揭示了自噬受体蛋白NDP52特异性地通过双位点的作用模式来结合RB1CC1的分子机制：NDP52的SKICH结构域结合RB1CC1的Coiled-coil区域以及NDP52的非经典LIR模序结合RB1CC1的Claw结构域的分子机制。同时，首次发现TBK1激酶对NDP52的磷酸化修饰能进一步增强NDP52对ATG8家族蛋白的结合
。此外，本项研究工作也首次揭示NAP1的FIR模序对RB1CC1/NAP1/NDP52三元复合物形成的重要作用，并从生化和结构角度对NDP52、NAP1、RB1CC1、ATG8家族蛋白间相互作用的分子机制提供了新见解，扩展了领域内对于自噬受体蛋白NDP52介导的选择性自噬过程的分子机制的认识。
中科院上海有机化学研究所已毕业的付涛博士为本论文的第一作者，潘李锋研究员为论文的通讯作者。TBK1激酶介导的自噬受体蛋白NDP52的磷酸化位点的质谱鉴定工作得到了上海蛋白质中心、张江实验室的彭超博士团队的大力支持。
http://doi.org/10.1126/sciadv.abi6582
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