JCB丨张宏课题组揭示自噬蛋白ATG-9在调控溶酶体功能和维持溶酶体完整性中的作用

摘要：ATG9 是定位在胞内 30~60 nm 囊泡上的膜蛋白，一般以同型三聚体形式存在，在自噬体形成过程的多个步骤中发挥作用。在酵母细胞中，它作为“膜的种子”招募自噬机器，促进自噬膜的起始。同时，ATG9 具有促磷脂翻转酶活性，可调节膜脂质的不对称分布，影响膜形态

ATG9 是定位在胞内 30~60 nm 囊泡上的膜蛋白，一般以同型三聚体形式存在，在自噬体形成过程的多个步骤中发挥作用。在酵母细胞中，它作为“膜的种子”招募自噬机器，促进自噬膜的起始。同时，ATG9 具有促磷脂翻转酶活性，可调节膜脂质的不对称分布，影响膜形态和功能，从而促进自噬隔离膜的延伸【1, 2】。ATG9 还具有独立于自噬过程的功能。例如在哺乳动物中，ATG9A 可被招募至受损质膜区域，协调靶向运输所需的内体分选复合体（ESCRT）机器修复质膜损伤。

溶酶体在多种细胞过程中发挥着重要的作用，包括物质降解、营养传感、信号转导、质膜修复、细胞粘附和细胞迁移等【3】。由各种损伤触发的溶酶体膜通透化（LMP）影响细胞稳态，并可诱导炎症和细胞死亡。溶酶体膜可以通过多种机制修复，包括ESCRT或膜联蛋白到受损部位；应力颗粒对受损部位的物理密封和稳定；以及溶酶体脂质组成的改变等【4, 5】。

近日，来自中国科学院生物物理研究所的张宏研究团队在Journal of Cell Biology杂志发表题为

The autophagy protein ATG-9 regulates lysosome function and integrity的研究论文，该研究揭示了自噬关键蛋白 ATG-9 通过调控磷脂翻转酶活性，促进受损溶酶体修复的分子机制。

张宏实验室前期鉴定的新自噬基因epg-5的突变体中，自噬体和非降解自噬溶体大量积累，造成自噬底物的累积以及溶酶体轻度受损【6】。研究人员利用自噬底物GFP::SEPA-1为报告蛋白，筛选鉴定出atg-9突变体（bp1607 或bp1532）可挽救epg-5中自噬缺陷，促进GFP::SEPA-1的降解（图1）。与atg-9(null)突变体完全丧失功能造成严重的自噬缺陷不同，atg-9(bp1532) 突变体并没有自噬缺陷。

图1 bp1607 挽救了epg-5(null)突变体中的自噬缺陷

研究发现bp1532突变体导致ATG-9蛋白第475位的半胱氨酸（Cys, C）突变成苯丙氨酸（Phe, F），该位点位于ATG-9 组成同型三聚体的 “中心孔道”中（图2），该孔道与ATG-9的促磷脂翻转酶活性有关。同时发现其它减弱ATG-9 促磷脂翻转酶活性的突变也能挽救epg-5造成的自噬缺陷。

图2 ATG-9 的三维结构及其促磷脂翻转酶活性减弱的突变

ATG-9(C475F)突变体可以特异性地挽救由于溶酶体失能造成的自噬缺陷，促使研究者们去探究其对溶酶体活性的影响。发现与野生型线虫相比，在atg-9(bp1532)中，NUC-1蛋白标记的溶酶体数量增加。同时，atg-9(bp1532)也使得epg-5突变体中增大的溶酶体恢复为正常大小（图3）。与之相比，atg-9(null)中，溶酶体数量减少，个体增大且形态异常。使用Galectin-3（sfGFP::Gal3）作为报告蛋白来指示溶酶体损伤时，发现在野生型线虫中sfGFP::Gal3弥散分布不同，epg-5(null)中形成不规则的聚集体，并随着epg-5(null)线虫的衰老而增加。而这种累积可以被atg-9(bp1532)抑制（图3），这表明atg-9(bp1532)可以促进epg-5(null)中轻度损伤溶酶体的修复。同样地，电镜结果也揭示了atg-9(bp1532)可以极大地抑制epg-5(null)中累积的异常增大的溶酶体。

图3 ATG-9(C475F) 促进溶酶体的生成和修复

进一步研究表明，减少磷脂酰乙醇胺（PE）合成可产生与 ATG-9 磷脂翻转酶活性减弱突变体类似的表型。即在epg-5(null)中，降低 PE 合成同样能够促进溶酶体修复并改善自噬缺陷。

综上，ATG-9 的磷脂翻转酶活性减弱可能直接或间接地改变溶酶体膜内、外层磷脂的分布，进而影响膜曲率，促进溶酶体的生成和修复（图4）。溶酶体功能受损及其完整性丧失与溶酶体贮积症及神经退行性疾病密切相关。本研究揭示的 ATG-9 磷脂翻转酶活性，为探索改善溶酶体功能障碍相关疾病的发病机制及其潜在的药物靶点提供了新的研究思路。

中国科学院生物物理研究所张宏研究员为论文通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士生彭康福为论文的第一作者。中国科学院生物物理研究所博士生赵国秀，副研究员赵红玉和北海道大学遗传病控制研究所研究员Nobuo N. Noda也参与了该课题的研究。

文章链接：

https://rupress.org/jcb/article-abstract/224/6/e202411092/277375/The-autophagy-protein-ATG-9-regulates-lysosome?redirectedFrom=fulltext

制版人：十一

参考文献

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2. Matoba, K., T. Kotani, A. Tsutsumi, T. Tsuji, T. Mori, D. Noshiro, Y. Sugita, N. Nomura, S. Iwata, Y. Ohsumi, T. Fujimoto, H. Nakatogawa, M. Kikkawa, and N.N. Noda. 2020. Atg9 is a lipid scramblase that mediates autophagosomal membrane expansion.Nat Struct Mol Biol.27:1185-1193.

3. Ballabio, A., and J.S. Bonifacino. 2020. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis.Nat Rev Mol Cell Bio.21:101-118.

4. Skowyra, M.L., P.H. Schlesinger, T.V. Naismith, and P.I. Hanson. 2018. Triggered recruitment of ESCRT machinery promotes endolysosomal repair.Science.360:eaar5078.

5. Tan, J.X.J., and T. Finkel. 2022. A phosphoinositide signalling pathway mediates rapid lysosomal repair.Nature.609:815-821.

6. Wang, Z., G.Y. Miao, X. Xue, X.Y. Guo, C.Z. Yuan, Z.Y. Wang, G.M. Zhang, Y.Y. Chen, D. Feng, J.J. Hu, and H. Zhang. 2016. The Vici syndrome protein EPG5 is a RAB7 effector that determines the fusion specificity of autophagosomes with late endosomes/lysosomes.Mol Cell.63:781-795.

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