上海交通大学农业与生物学院薛红卫和林文慧课题组合作揭示磷脂酸调控细胞自噬的分子机制

2022年3月15日，上海交通大学农业与生物学院/上海市现代种业协同创新中心薛红卫课题组和生命科学技术学院林文慧课题组合作在《自噬（Autophagy）》杂志（2020IF16.016）发表题为PhosphatidicacidsuppressesautophagythroughcompetitiveinhibitionbybindingGAPC（glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase）andPGK（phosphoglyceratekinase）proteins的研究论文，揭示了PA通过结合3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPCs）或磷酸甘油酸激酶3（PGK3），竞争性抑制自噬关键复合体的形成，进而抑制细胞自噬，为细胞自噬调控机制研究提供了重要线索。细胞自噬（autophagy）是真核生物细胞内降解异常生物大分子或细胞器以循环营养物质的过程，在生物体生长发育调控中发挥重要作用，其异常将导致细胞失衡甚至死亡。细胞自噬需要自噬相关基因（AuTophaGy-relatedgene,ATG）的参与，包括ATG1蛋白激酶复合体、ATG9复合体、磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）复合体、ATG8-磷脂酰乙醇胺（PE）和ATG5-ATG12类泛素修饰系统等。细胞自噬参与了动物细胞的蛋白质稳态、葡萄糖代谢、脂质代谢、衰老等，其异常导致神经性疾病、肿瘤等；也在植物生长发育，特别是逆境响应中起重要作用，ATG基因的缺失导致拟南芥叶片叶绿体破坏、提前衰老、先天免疫激活以及生物和非生物胁迫耐受性受损。磷脂分子（Phospholipid）是指含有磷酸的脂类，除参与组成细胞膜外，还参与了生长发育、环境响应等调控。其中磷脂酸（PA）作为一种重要的信号分子，通过结合不同靶蛋白并影响相关蛋白的活性、亚细胞定位、蛋白质的相互作用或复合物的组装，从而参与各种信号途径和生理过程，如激素作用、逆境响应、节律等。动物中的研究表明自噬体的生物发生与磷脂分子及其结合蛋白密切相关，但磷脂分子在植物自噬中的功能及相关作用机制仍不清楚。通过细胞学观察，该研究发现PA能够抑制植物自噬，系统的生化、遗传学研究表明PA结合糖酵解关键蛋白GAPCs或PGK3，并促进GAPCs-ATG3或PGK3-ATG6的相互作用，进一步削弱了自噬关键复合体ATG3-ATG8e或ATG6-VPS34的形成，从而抑制自噬。结构生物学预测、蛋白结构分子对接和突变分析验证了PA结合GAPCs或PGK3的关键位点，发现GAPCs或ATG8e竞争性结合ATG3、PGK3或VPS34竞争性结合ATG6的相同结合表面，为竞争性抑制提供了结构基础。PA与GAPCs或PGK3蛋白内的空腔结合，暗示与PA结合的GAPCs和PGK3蛋白质结构更紧密，有助于形成GAPCs-ATG3或PGK3-ATG6复合物。这些结果极大扩展了对自噬调节的理解，也为PA通过结合靶蛋白发挥调控作用提供了新思路。PA并不直接抑制自噬，而是通过竞争性的方式来抑制，就像传统中国功夫里的隔山打牛，效果显著。考虑到PA产生和自噬体形成的保守性，这些结果为PA如何降低动物体内ATG6与VPS34的亲和力提供了线索。此外，基于磷脂在哺乳动物和植物细胞中相对保守的功能和调节机制，PA通过结合糖酵解蛋白抑制自噬有助于细胞自噬调控机制的进一步阐明，具有重要的科学意义。在环境刺激和营养缺乏情况下，自噬被显著诱导，同时产生大量PA抑制自噬，形成一个反馈调节环将自噬维持在适当的水平。该研究首次解析PA通过结合GAPC或PGK3从而抑制植物自噬，加深了对PA作用模式的理解，不但证明了磷脂分子在自噬中的重要作用，也为细胞自噬调控机制研究提供了重要线索。上海交通大学农业与生物学院博士后管彬为本文第一作者（毕业于中科院分子植物科学卓越创新中心），农业与生物学院薛红卫教授和生命科学技术学院林文慧研究员为共同通讯作者。生命科学技术学院博士生姜雨彤和农业与生物学院博士后林德立参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、万人计划及作物逆境生物学河南省协同创新中心的资助。原文链接https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15548627.2022.2046449