真菌营养适应中批量与选择性自噬协同重塑蛋白质组的机制研究

《Cell Reports》：Bulk and selective autophagy cooperate to remodel a fungal proteome in response to changing nutrient availability

本研究针对细胞在营养环境变化下如何通过蛋白质降解途径实现蛋白质组重塑这一关键科学问题，开发了nPL-qMS（营养脉冲标记定量质谱）技术，系统解析了甲基营养酵母Komagataella phaffii在氮饥饿条件下依赖Atg9的批量自噬和Atg11介导的选择性自噬（如线粒体自噬和过氧化物酶体自噬）的协同作用。研究发现，批量自噬主导胞内蛋白复合物（如核糖体）的降解，而选择性自噬特异性清除细胞器；二者互不竞争，且过氧化物酶体降解受Inp1介导的母细胞滞留机制调控。该工作为理解真核生物应激适应机制提供了全局性动态数据资源，对代谢疾病及衰老相关降解异常研究具有重要启示。

　　

当环境中的营养物质发生变化时，细胞必须迅速调整其蛋白质组成，以适应新的生存条件。这一过程涉及新蛋白质的合成和旧蛋白质的降解，其中降解途径主要包括蛋白酶体系统和自噬。自噬又分为批量自噬（非选择性降解）和选择性自噬（特异性靶向细胞器或蛋白复合物）。尽管这些途径已被广泛研究，但它们在全局蛋白质组重塑中的相对贡献仍不清楚。特别是在真菌如Komagataella phaffii（原名Pichia pastoris）中，其能够利用多种碳源（如甲醇、葡萄糖和油酸），切换碳源时需要大幅调整代谢相关蛋白质，是研究蛋白质组动态平衡的理想模型。

为了揭示这些降解途径在营养适应中的具体作用，Telusma等人在《Cell Reports》上发表了最新研究。他们开发了一种名为nPL-qMS（营养脉冲标记定量质谱）的新方法，通过同位素标记和定量质谱技术，在全球范围内跟踪蛋白质的合成和降解动力学。研究重点分析了从甲醇培养基切换到缺氮葡萄糖培养基时，野生型及自噬相关基因缺失株（如atg9Δ、atg11Δ、atg30Δ、atg32Δ等）中约3200种蛋白质的周转情况。

研究采用的关键技术方法包括：nPL-qMS用于全蛋白质组降解动力学监测；基因敲除株（atg9Δ、atg11Δ等）构建以解析自噬通路功能；荧光显微镜结合光转换蛋白mEos2-Cta1追踪过氧化物酶体命运；免疫印迹验证特定蛋白降解；以及生物信息学分析（如主成分分析和基因本体注释）用于数据整合。

结果1：葡萄糖适应过程中蛋白质降解驱动蛋白质组重塑

通过nPL-qMS分析发现，野生型酵母在从甲醇培养基转向缺氮葡萄糖培养基后，90%以上的可量化蛋白质发生降解，降解速率半衰期从1小时至130小时不等。在自噬缺陷株（atg9Δ）中，大多数蛋白质降解被抑制，且细胞生长在饥饿条件下显著受阻，表明自噬对营养循环和持续蛋白质合成至关重要。

结果2：Atg9依赖的批量自噬主导蛋白质组重塑

批量自噬不仅降解胞质蛋白（如磷酸甘油酸激酶Pgk1），还广泛作用于分泌途径相关蛋白（内质网和高尔基体）及核糖体亚基。在atg9Δ和液泡蛋白酶缺陷株（pep4Δprb1Δ）中，这些蛋白的降解几乎完全停滞，凸显批量自噬在应激响应中的核心地位。

结果3：Atg11依赖的选择性自噬参与细胞器清除

过氧化物酶体（如酒精氧化酶Aox1）和线粒体蛋白的降解需要Atg9和Atg11共同参与，表明其通过选择性自噬途径清除。值得注意的是，过氧化物酶体降解速率远快于线粒体，且两种途径互不竞争（如atg30Δ仅抑制过氧化物酶体自噬，atg32Δ仅影响线粒体自噬），提示其受独立调控。

结果4：稳态生长条件下基础自噬活性存在

在甲醇培养基中持续培养时，过氧化物酶体蛋白仍发生缓慢降解，但约50%的原有蛋白因母细胞通过Inp1蛋白滞留机制而受到保护，避免被降解。这一发现解释了稳态下蛋白质部分更新的现象。

结果5：氮饥饿是蛋白质组重塑的主要驱动因素

通过比较不同营养切换条件（如甲醇到葡萄糖、甲醇到甲醇缺氮），发现氮匮乏是触发大规模自噬降解的关键信号，而非碳源变化本身。

研究结论强调，批量自噬和选择性自噬在营养胁迫下协同作用，批量自噬提供资源回收基础，而选择性自噬精准清除特定细胞器；二者通路独立，且过氧化物酶体降解受细胞分裂时空调控。该研究不仅提供了首个真菌蛋白质组降解的动态图谱，还建立了nPL-qMS这一通用平台，为后续研究人类疾病（如神经退行性疾病和癌症）中蛋白质稳态失调机制提供了重要工具和理论基础。