细胞自噬调控细胞质内蛋白稳态和脂质代谢

发布时间：2020-05-21 15:02

【摘要】：细胞自噬既可以清除细胞内“废物”,也为细胞更新和稳态维持提供了物质和能量保障。蛋白聚集体自噬和脂滴自噬的异常与多种人类疾病相关,但其作用机制仍不清楚。本篇论文围绕两种选择性自噬展开,分为两个部分。论文第一部分揭示了线粒体蛋白运输调控胞质中蛋白质稳态的机制。我们发现,线粒体外膜蛋白运输复合物的重要组成成份Tom40表达水平下降后,胞质中蛋白酶体功能下降,自噬途径出现异常。细胞内出现大量被自噬膜结构包裹的蛋白聚集体。在神经系统中,Tom40表达水平的减少也会引起泛素化的蛋白聚集体在神经细胞中累积,并导致神经系统的退化和损伤。进一步研究发现,Tom40表达水平的减少还会加剧亨廷顿疾病致病蛋白Htt polyQ的积累,加重神经损伤,暗示线粒体蛋白运输系统的异常会进一步加剧胞内错误折叠蛋白的累积和毒性。线粒体损伤和蛋白聚集体的累积是神经退行性疾病的两大特征,本研究揭示了二者之间的关系,加深了对神经退行性疾病致病机制理解。在本论文第二部分的工作中,我们发现两个果蝇突变体的眼中积累了大量脂滴,暗示其可能参与调控细胞中的脂质代谢。定位克隆发现一个新的果蝇基因CG5745在这两个突变体中发生了突变。CG5745编码一个进化上保守的含有Tre2-Bub2-Cdc16(TBC)结构域的蛋白。我们根据其哺乳动物同源基因TBC1D22A和TBC1D22B的名称将其命名为dTBC22。含有TBC结构域的蛋白通常作为GTPase激活蛋白(GAP)催化Rab蛋白水解GTP。我们发现dTBC22的GAP活性对其调控脂质稳态是十分重要的。表达显性负性突变体(dominant negative)dTBC22RQ导致脂滴在多组织中积累。进一步实验发现dTBC22与Rab40相互作用,发挥GAP活性促进Rab40水解GTP。与dTBC22突变相似,过表达模拟GTP结合形式的Rab40突变体Rab40Q75L也会导致多种组织中脂滴的积累。Rab40敲除后,果蝇体重增加,耐饥饿能力增强。在果蝇脂肪体中,Rab40敲除抑制饥饿导致的脂滴减小。Rab40与脂滴上甘油三酯脂肪酶Brummer(Bmm)结合。在正常饲喂条件下,野生型的果蝇脂肪体中Bmm蛋白水平较低,Rab40缺失果蝇的脂肪体中Bmm蛋白水平升高,暗示Rab40在营养充足条件下抑制Bmm水平。饥饿后,野生型的果蝇脂肪体中Bmm蛋白水平升高,此时Rab40缺失果蝇脂肪体中的Bmm蛋白水平与野生型相当,暗示饥饿解除了Rab40对Bmm水平的抑制。与此对应,我们发现Rab40在细胞中广泛分布,营养充足时在脂滴上富集。但在饥饿条件下,脂滴上的Rab40消失,高尔基体上出现Rab40的富集。进一步研究还发现,敲除Rab40会减少脂肪体中饥饿诱导的细胞自噬囊泡分子标记Atg8a和溶酶体膜蛋白LAMP在脂滴周围的聚集,暗示脂滴自噬出现异常。在脂肪体中敲减LAMP或Atg8a的表达均抑制饥饿诱导的脂滴减少,暗示Rab40可能通过调控脂滴的自噬调控胞内脂代谢。基于以上结果,我们得出以下模型:营养充足时,Rab40在脂滴上富集,与Bmm结合,降低Bmm水平。饥饿时,Rab40离开脂滴,解除对Bmm的抑制,并促进脂滴自噬,从而实现脂肪体中脂质的调度和使用。dTBC22促进Rab40水解GTP,使得Rab40可以在GTP和GDP结合形式之间循环互换,维持其正常功能。dTBC22的缺失或Rab40的过表达均打破了Rab40循环,产生显性负效应,抑制Rab40活性,破坏了脂质稳态。这一研究发现了两个调控脂质代谢的新分子,加深了人们对脂解和脂滴自噬过程的认识。
【图文】：

自噬,蛋白酶体,细胞,互补性

所有的生物体内都存在持续的更新，细胞及细胞内的组份通过不断地重建和逡逑回收，用新鲜的、高质量的组份替换旧组份，以维持细胞的正常的形态和功能。逡逑真核细胞的亚细胞降解系统主要有两种，自噬－溶酶体系统和泛素－蛋白酶体系逡逑统。泛素－蛋白酶体的降解有较高的选择性，它通常只识别泛素化底物，主要是一逡逑些短期存在的蛋白质。相比之下，自噬－溶酶体系统有更广泛的功能，它参与细胞逡逑适应和重建，大分子的回收利用以及生物合成运输。溶酶体被称为“细胞的垃圾逡逑桶”，它在细胞更新过程中起到非常重要的作用。细胞外的物质和细胞膜蛋白可以逡逑通过内吞作用被运送到溶酶体，细胞内的组份（蛋白质、脂类、糖原、细胞器）逡逑也可以通过自噬途径被运送到溶酶体。尽管自噬－溶酶体系统和泛素－蛋白酶体系统逡逑的活性不是相互依赖的，但最近有研究表明两种降解系统间是存在联系的，抑制逡逑其中一个，导致另一个互补性上调，为了维持稳态，由于一个降解系统抑制引起逡逑的积累的细胞物质需要被清理，这至少部分是由另外的降解系统完成的［１］（图Ｕ）。逡逑

自噬,细胞,溶酶体,自噬泡

细胞自噬是真核生物细胞中高度保守的过程，通过自噬途径，胞质内物质被逡逑运送到动物细胞的溶酶体或植物细胞、酵母细胞的液泡中。细胞自噬包括三种类逡逑型：巨自噬，微自噬和分子伴侣介导的自噬（图１．２）。双层膜结构的自噬泡是巨逡逑自噬的形态学特征。巨自噬中，，胞质中游离的膜结构会包裹隔离胞质的一小部分，逡逑包括可溶性物质和细胞器，形成自噬泡。自噬泡会与溶酶体融合形成自噬溶酶体，逡逑其内包裹的物质会被溶酶体水解酶降解，降解产物（如氨基酸），可以被重复利用。逡逑在与溶酶体融合之前，自嗟泡也可以先与内吞体、多泡体（ｍｕｌｔｉ－ｖｅｓｉｃｕｌａｒ邋ｂｏｄｉｅｓ，逡逑ＭＶＢｓ）融合，形成自喔内涵体（ａｍｐｈｉｓｏｍｅ）。逡逑Ｍａｃｒｏａｕｔｏｐｈａｇｙ逦Ｍｉｃｒｏａｕｔｏｐｈａｇｙ逦Ｃｈａｐｅｒｏｎｅ－ｍｅｄｉａｔｅｄ逡逑ａｕｔｏｐｈａｇｙ逡逑｜邋Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逦Ｈｓｃ７０邋＆逡逑ｃｏｃｈａｐｅｒｏｎｅｓ逡逑ｉｓｏｌａｔｉｏｎ＾＾＾逡逑ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑ｉ逦？逡逑Ｌ邋…ｉ逡逑一＾Ｌａｍｐ－２Ａ逦－－ｒｒ逡逑（0＼邋ｍＭ逡逑Ｉ逦，逡逑Ｔ逦｜逡逑Ａ邋ｒ，0＼ｙｔ：邋：邋Ｏｆｉｎ；逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑■邋Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q25

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