JBC：张宏研究组解析细胞自噬基因

　　

生物通报道：来自北京生命科学研究所等处的研究人员发表了题为“Differential function of the two Atg4 homologues in the aggrephagy pathway in C. elegans”的文章，发现了线虫中的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。相关成果公布在Journal of Biological Chemistry杂志上。

文章的通讯作者是北京生命科学研究所张宏研究员，第一作者为博士研究生吴凡，其他研究人员包括李玉平，王付欣以及日本的Nobuo N. Noda博士。这项研究得到了科技部和北京市政府的资助。

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（简称为atg基因）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。

秀丽线虫中包含了两个Atg4的同源基因，atg-4.1和atg-4.2。在这篇文章中，研究人员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。研究人员发现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。

张宏研究组近年来在自体吞噬研究领域获得了许多重要的成果，曾在Cell上发文，报道了4个多细胞动物特异的自噬基因，发现自体吞噬作用优先降解蛋白聚合物，尤其是在动物体发育的过程中，选择性自体吞噬倾向于选择具有显著生理学意义的蛋白聚合物，这让我们对高等生物中自噬机制有了进一步了解。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Differential function of the two Atg4 homologues in the aggrephagy pathway in C. elegans

The presence of multiple homologues of the same yeast Atg protein endows an additional layer of complexity on the autophagy pathway in higher eukaryotes. The physiological function of the individual genes, however, remains largely unknown. Here we investigated the role of the two C. elegans homologues of the cysteine protease Atg4 in the pathway responsible for degradation of protein aggregates. Loss of atg-4.1 activity causes defective degradation of a variety of protein aggregates, whereas atg-4.2 mutants remove these substrates normally. LGG-1 precursors accumulate in atg-4.1 mutants, but not atg-4.2 mutants. LGG-1 puncta, formation of which depends on lipidation of LGG-1, are present in atg-4.1 and atg-4.2 single mutants, but are completely absent in atg-4.1; atg-4.2 double mutants. In vitro enzymatic analysis revealed that ATG-4.1 processes LGG-1 precursors about 100 fold more efficiently than ATG-4.2. Expression of a mutant form LGG-1, which mimics the processed precursor, rescues the defective autophagic degradation of protein aggregates in atg-4.1 mutants and, to a lesser extent, in atg-4.1; atg-4.2 double mutants. Our study reveals that ATG-4.1 and ATG-4.2 are functionally redundant yet display differential LGG-1 processing and deconjugating activity in the aggrephagy pathway in C. elegans.

作者简介：

张宏 博士

北京生命科学研究所研究员

教育经历

1991 安徽大学生物化学系学士

2001美国纽约 Albert Einstein College of Medicine 分子遗传学博士

工作经历

2004-present 中国北京生命科学研究所工作

2001- 2004哈佛大学医学院、马萨诸塞总医院癌症中心研究员

研究概述：

本实验室的兴趣主要集中在研究PcG (Polycomb group)基因介导的表型基因沉默机理。众所周知，PcG蛋白可以维持关键的发育调节因子如Hox基因的准确表达模式。而且，现在越来越多的证据现实，PcG蛋白也参与了对细胞增殖和肿瘤发生的调节过程。然而，在果蝇和哺乳动物细胞中，PcG复合体的成分非常复杂，这就阻碍了我们对PcG介导基因沉默以及相关靶基因的研究。与此相反，在秀丽线虫(C. elegans)中，PcG复合体的成分相对简单。我们实验室的工作就是利用秀丽线虫作为模式系统研究PcG复合体介导的基因调节作用并从而延伸到对哺乳动物的研究。

我们实验室的前期工作已经证明秀丽线虫的PcG蛋白SOP-2蛋白具有RNA结合能力。在功能和结构上，这都与其他机体的PH和SCM蛋白类似。有意思的是，SOP-2蛋白可以形成明显的核小体即SOP-2小体。SOP-2小体的形成和其功能紧密相联，并可被翻译后修饰如sumoylation调节。

因此，实验室以后的工作主要集中在：

1. 鉴定SOP-2蛋白结合的RNA成分，并阐述其在SOP-2介导基因沉默中的作用。PH和SCM结合RNA的活性以及在基因沉默中的作用也将被进一步的研究。

2. 研究核小体在SOP-2介导基因沉默中的作用。进一步鉴定SOP-2核小体的成分并分析SOP-2小体形成的调节途径。

3. 鉴定sop-2靶基因并研究在sop-2突变体中看到的它们对发育过程的多方面调节效应。