Nat Commun丨潘李锋课题组揭示自噬相关蛋白ATG16L1结合FIP200和ATG8家族蛋白的分子机制和相关的自噬功能

摘要：细胞自噬是哺乳动物细胞内一种高度受调控的、溶酶体依赖的重要代谢过程。细胞自噬对于细胞内稳态的维持至关重要，并在细胞生长、细胞死亡、天然免疫、衰老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、克罗恩疾病等诸多的人类疾病密

细胞自噬是哺乳动物细胞内一种高度受调控的、溶酶体依赖的重要代谢过程。细胞自噬对于细胞内稳态的维持至关重要，并在细胞生长、细胞死亡、天然免疫、衰老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、克罗恩疾病等诸多的人类疾病密切相关。在氨基酸饥饿引发的经典自噬过程中，细胞通过自噬前体结构（ PAS ）的引发、延伸进而形成自噬体来包裹细胞内待降解的自噬底物。其中，在 PAS 的引发和延伸阶段， WIPI2 和 FIP200 均可通过与 ATG16L1 的相互作用，将 ATG12~ATG5-ATG16L1 复合物（ ATG16L1 复合物）招募至 PAS 上，进而促使 ATG8 家族蛋白在 PAS 上发生脂质化修饰。前期 WIPI2 招募并激活 ATG16L1 复合物的作用机制已得到较好阐释，但是 FIP200 在 ATG16L1 复合物被招募至 PAS 过程中的具体分子机制仍不清楚。

近日，中科院上海有机化学研究所生命过程小分子调控全国重点实验室的潘李锋课题组在 Nature Communications 发表了题为

Molecular bases of the interactions of ATG16L1 with FIP200 and ATG8 family proteins的文章，首次发现 ATG16L1 可通过其 FIR 区域竞争结合 FIP200 和 ATG8 家族蛋白，并通过系统的生化、结构和细胞功能研究揭示了 ATG16L1 结合 FIP200 和 ATG8 家族蛋白的分子机制及其在氨基酸饥饿诱导的经典自噬过程中的各自功能，为进一步理解经典自噬过程的分子机制奠定了基础。

在本项研究工作中，研究人员首先综合运用等温滴定量热技术、快速蛋白液相色谱、多角度光散射和液体核磁共振等多种实验手段，发现 ATG16L1 包含一段 FIP200 结合区域（ FIR ），这段区域不仅能直接结合 FIP200 的 Claw 结构域，还可以作为非经典的 ATG8 相互作用基序（ AIM ），选择性地识别哺乳动物 ATG8 家族蛋白（ ATG8s ），并倾向于结合 GABARAPL1 。随后，研究人员首次解析了 ATG16L1 FIR/FIP200 Claw 复合物和 ATG16L1 FIR/GABARAPL1 复合物的高辨率晶体结构，详细阐明了 ATG16L1 结合 FIP200 和 ATG8s 的分子机制。同时，基于相关的结构分析和生化实验结果，研究人员发现 ATG8s 会与 FIP200 竞争结合 ATG16L1 ，而 WIPI2 和 FIP200 会同时结合 ATG16L1 。为了区分 FIP200/ATG16L1 和 ATG8s/ATG16L1 相互作用在自噬过程中各自的贡献，研究人员通过理性设计获得了特异性只结合 ATG8s 的 ATG16L1 DRIF 突变体，以及 ATG8s 和 FIP200 均不结合的 ATG16L1 IQIQ 突变体。在此基础上，研究人员在 ATG16L1 敲除的 HeLa 细胞系中，回补了 ATG16L1 突变体 DRIF （只结合 ATG8s ）、 IQIQ （ ATG8s 和 FIP200 均不结合）和野生型的 ATG16L1 。后续，通过检测 p62 的降解程度以及 LC3B 的脂质化修饰程度，研究人员发现 FIP200/ATG16L1 相互作用对于氨基酸饥饿诱导的经典自噬的正常进行是不可或缺的，而 ATG8s/ATG16L1 相互作用起到抑制自噬的作用。最后，基于相关的研究发现，该团队首次提出 FIP200/ATG16L1 和 WIPI2/ATG16L1 相互作用在氨基酸饥饿引发的经典自噬过程中通过正反馈作用增强自噬起始过程的作用模型。

图 1 ： ATG16L1 结合 FIP200 和 ATG8 家族蛋白的分子机制

综上所述，该研究工作首次发现核心自噬蛋白 ATG16L1 可通过其 FIR 区域竞争性地结合 FIP200 和 ATG8 家族蛋白，并通过解析相关的复合物结构首次阐明了 ATG16L1 结合 FIP200 和 ATG8s 的分子机制。同时，通过理性设计突变体和相关的细胞功能实验，首次区分了 FIP200 / ATG16L1 FIR 和 ATG8s / ATG16L1 FIR 相互作用在相关自噬过程中的各自功能，并明确了 FIP200/ATG16L1 在经典自噬过程中发挥着不可或缺的重要作用。相关的研究发现为进一步揭示哺乳动物细胞自噬过程的分子机制奠定了基础。

中科院上海有机化学研究所已毕业的龚新宇博士和博士研究生周玉倩为本论文的共同第一作者，潘李锋研究员为论文的唯一通讯作者。论文中 X 射线晶体衍射数据的收集工作得到了上海同步辐射光源的大力支持。

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