ATG8族蛋白与含LIR motif受体相互作用在选择性自噬中的作用*

邹金桃 周红 蔡永青 李小丽△

(1.第三军医大学药学系学员十八营；2. 第三军医大学药学系药理学教研室；3. 第三军医大学第三附属医院药剂科，重庆 400038)

综 述

ATG8族蛋白与含LIR motif受体相互作用在选择性自噬中的作用*

邹金桃1周红2蔡永青3李小丽2△

(1.第三军医大学药学系学员十八营；2. 第三军医大学药学系药理学教研室；3. 第三军医大学第三附属医院药剂科，重庆 400038)

细胞自噬是一类在大多数真核生物中存在的细胞降解机制。传统认为，细胞自噬是一系列由细胞饥饿引起的无选择性的细胞降解过程。而近年来，这种观点被一系列选择性自噬机制的发现而彻底改变。研究表明选择性自噬主要依赖于两类关键性蛋白的结合：ATG8族蛋白与含LIR(LC3-interacting region)motif的受体结合。

ATG8；LIR motif；选择性自噬

自噬是真核细胞内的降解机制之一。在自噬过程中，一个双层膜结构(自噬囊泡)延展并包裹一部分细胞质，闭合形成自噬小体(直径范围：0.5 μm ～1.5 μm)。自噬小体通过两种途径形成自噬溶酶体：①与晚期内体融合形成自噬内涵体，再与溶酶体融合形成自噬溶酶体；②直接与溶酶体融合形成自噬溶酶体[1]。尽管传统上认为自噬没有选择性，但是近年来研究发现，这种降解过程也具有选择性，称为选择性自噬(表1)。它能特异靶向于错误折叠蛋白质、蛋白聚集体、过多或损坏的细胞器、甚至入侵的细菌体[2-5]，以清除受损的细胞质成分，维持细胞内环境的稳定。

研究表明，选择性自噬过程主要依赖于两种蛋白质之间的相互作用：①具有WXXL(X代表任何氨基酸)样序列的LIR或叫做AIM(ATG8族蛋白作用域)motif的蛋白；②ATG8族蛋白。

1 ATG8族蛋白

1.1 物种间的分布

ATG8族蛋白是62种高度保守的真核蛋白家族中的一种[6]。酵母和一些特定的物种中只有一个ATG8基因，多细胞生物和一些原核生物具有几个ATG8基因。动物的ATG8族蛋白由三个亚族组成，分别是：LC3、GABARAP、GATE-16。人体中含有一个GATE-16基因、两个GABARAP基因、四个LC3基因[7]。

1.2 体内分布

ATG8蛋白质广泛分布于所有细胞，但是特定的成员会在特定组织呈现高表达。LC3亚族中，LC3C一般比其他两个成员表达要低，但是在肺中的表达却占决定性地位[9,10]。GABARAP亚族在不同组织中的表达也呈现差异性，GABARAPL1主要表达于中枢神经系统，类似地，GATE-16主要表达于大脑中，而GABARAP主要出现于内分泌腺体中[11,12]。

表1 选择性自噬种类

注：“/”表示研究未确定具体的ATG8族成员。

1.3 ATG8蛋白质结构特征

尽管ATG8蛋白在氨基酸序列上缺乏与泛素相似的证据，但是它们都具有与泛素结构很强的相似性。第一个被测定结晶结构的ATG8蛋白GATE-16包含两个N端α螺旋和一个C端泛素核[8]。后来的研究确定了这种结构特点为所有ATG8蛋白所共有[7]。

2 含LIR模体的受体蛋白及其选择性自噬过程

2.1 SLRs(Sequestosome-1(p62)-like receptors)

SLRs目前主要由p62，NBR1，NDP52，optineurin 和TAX1BP1(Tax1-binding protein 1)组成，它们有三个主要功能结构域：一个发生二聚化或多聚化作用的结构域；一个含LIR的结构域；一个与泛素结合的结构域。这三个结构域能够保证选择性自噬转运体受体功能的高效发挥[13-16]。

其选择性自噬过程为，SLRs通过其UBA(Ubiquitin-associated domain)区与细胞内的泛素化蛋白相结合，进而在PB1(Phox and Bem1 domain)区的作用下形成大的蛋白聚集体，这种聚集体引起p62构象的改变，暴露出LIR区，使得聚集体靶向ATG8族蛋白，相互结合，进而通过自噬途径被降解。

2.2 线粒体的选择性自噬受体蛋白

线粒体选择性自噬受体蛋白目前包括Atg32，NIX(Bnip3L)，Bnip3(BCL2 homology 3(BH3)-only protein 3)，FUNDC1。它们具有的两个共同功能性结构域：a、跨膜结构域；b、一个LIR模体(位于N端)。Atg32、NIX、Bnip3均只含有一个跨膜结构域跨过线粒体外膜，其N端位于细胞质中，C端位于线粒体，而FUNDC1含有三个跨膜结构域[1]。

其选择性自噬过程为，线粒体自噬受体通过跨膜结构域固定于线粒体外膜上，通过N端(胞质)的LIR模体靶向LC3，进而通过自噬途径被降解。另外,当线粒体损伤时，失去膜电位，PINK1募集Parkin使线粒体泛素化，从而线粒体上的泛素结合p62、NBR1等自噬受体参与上述SLRs介导的自噬过程[26]。

3 选择性自噬的条件

酵母Cvt(Cytoplasm to vacuole targeting)通路揭示了选择性自噬中两种必须满足的条件：①底物必须寡聚或体积足够大以便于多种受体结合到它的表面。结合多种受体可以聚集足够多、相距近的UBL(泛素类似物，主要包括ATG8/LC3)，为自噬囊泡(Autophore)的募集做好准备。而且，受体和ATG8/LC3的寡聚化有效增加本来相对弱的LIR-ATG8作用[21]；②受体必须同时与底物和ATG8/LC3结合。

另一方面，在巧妙的酵母实验中，发现ATG8-PE持续地、不依赖自噬诱导因素地与各类膜结合[22-24]。基于上面事实，Vladimir Rogov及其同事提出了一个选择性自噬的模型(图1)[25]：

(1)底物被修饰，例如：需要降解的蛋白会被泛素化。

(2)受体与底物结合：寡聚化的选择性自噬受体直接与底物结合，或通过泛素间接与底物结合。同时，这种结合会促进它的进一步修饰(例如：暴露LIR结构域，而且在泛素连接酶的作用下会进一步泛素化)。底物通过受体结合到自噬囊泡：在膜上PATG8/LC3/GABARAPs和结合底物的受体作用，同时可能存在膜上ATG5-ATG12-ATG16复合体与底物上的泛素或受体作用(例如：通过前面提及的ALFY，ALFY可以与ATG5相互结合)的条件下，已存在的自噬囊泡与底物结合。

(3)核心复合体(Nucleation complex)结合到自噬囊泡上：ULK1(Atg1同源蛋白)复合物通过ATG8/LC3/GABARAPs、ATG16两者或两者中的一个被募集到自噬囊泡上，vps34通过与ULK1作用被募集到自噬囊泡上，最终构成核心复合体。

(4)自噬小体成熟：核心复合体，ATG5-ATG12-ATG16复合体和其他相关ATG蛋白促进自噬囊泡绕着底物扩展成自噬小体。

(5)融合：自噬小体与溶酶体融合。

图1 选择性自噬模型

4 小结及展望

ATG8族蛋白与含LIR模体的选择性自噬受体之间的作用是选择性自噬中关键步骤，是聚集的底物与自噬囊泡间结合形成自噬小体的必要条件。这种作用在许多类型的选择性自噬中都扮演了相似的角色。这种作用广泛存在于各类真核细胞内，参与了包括巨噬细胞清除病原体、抗原呈递细胞呈递MHCⅡ类抗原肽、红细胞成熟过程中清除线粒体等过程。

基于上述事实：一、目前LC3已作为检测自噬很好的标志分子，是否相应的含LIR的选择性自噬受体能否作为一些细胞选择性自噬过程的标志物以更好的反应某些疾病过程或免疫过程？二、在一些神经退行性疾病中，由于突变后的蛋白质不能进入正常的降解型选择性自噬，而在胞质内聚集形成聚集物诱导了细胞凋亡型的选择性自噬。那么是否可以修饰某些含LIR模体的受体蛋白使之能与突变后的蛋白结合，从而诱导其进入降解型的选择性自噬过程中？三、在肺结核中，结核杆菌分泌硫酸脑苷脂等酸性脂类从而阻止了吞噬体与溶酶体融合从而避免被清除掉，而在吞噬体中继续繁殖。是否可以利用选择性受体募集某些酶类到吞噬体内，使硫酸脑苷脂等酸性脂类变成脂溶性，从而与抗原呈递中的含疏水性孔道的CD1分子结合，最后使吞噬体能与溶酶体结合？因此，选择性自噬可能会成为某些疾病治疗的新靶点。

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Interaction of LIR motif with the ATG8 protein family is crucial for selective autophagy*

Zou Jin-tao1, Zhou Hong2, Cai Yong-qing3, Li Xiao-li2△

(1.Student Regiment 18, College of Pharmacy, Third Military Medical University;2.Department of Pharmacology, College of Pharmacy, Third Military Medical University;3.Department of the Pharmacy, The Thind Affiliated Hospital of Third Military Medical University, Chongqing 400038)

*国家自然科学基金青年基金项目(编号：81302797)；第三军医大学教育改革课题面上项目(2014B03)

邹金桃，男，在读药学专业2012级本科生， Email：definzyz1993@sina.com。

△通讯作者：李小丽，女，讲师，主要从事抗肿瘤药物中自噬的作用机制研究，Email：plum181181@126.com。

2015-3-20)