清华大学葛亮团队发现新型内膜互作调节自噬体膜的分子通路

自噬，是所有活细胞的核心功能之一。

早在 19 世纪 60 年代，科学家提出 “细胞自噬” 的概念，此后数年来，偶有一些星星点点的发现，然而不足以满足科学家的好奇心。

直到因 “在细胞自噬机制方面的发现” 而获得诺贝尔生理学或医学奖的大隅良典（Yoshinori Ohsumi），通过对酵母的极其巧妙的实验，证明了自噬过程的存在，还找到了调控基因，“自噬体” 才算被揭开了神秘面纱。

图丨细胞自噬的过程（来源：Journal of Biological Chemistry）

但是，科学家们依然不止步于此，因为人们对内膜系统是如何重塑形成双层膜自噬体的机制知之甚少。细胞内膜系统经历重组以支持自噬体的形成，这是自噬的核心步骤。

近日，清华大学葛亮研究小组在 Cell Research 发表了一篇论文，详细报道了一条由 TMED9 和 SEC12 蛋白相互作用介导的 ERGIC-ERES 新型内膜互作调节自噬体膜形成的分子通路。

葛亮是清华大学的研究员，此前在中国科学院生物化学与细胞生物学研究所宋保亮教授实验室攻读博士学位，主要研究胆固醇吸收的分子机制。

2011 年，葛亮博士在加利福尼亚开始博士后学术生涯，后又在伯克利加州大学伯克利分校跟随 2013 年的诺奖得主 Randy Schekman，在课题组担任研究专家职位。在那里，他了解了 LC3 脂质和内质网、高尔基体中的成分在自噬体发生的重要作用。

葛亮博士于 2017 年底在清华大学生命科学学院成立了自己的实验室，他的团队以细胞生物学与生物化学技术、小鼠模型和计算生物学相结合，研究自噬和非传统的蛋白质分泌的机制。致力于解答 “细胞在外界压力下如何维持内部稳态平衡？” 这一细胞生物学的本质问题。

图丨葛亮（来源：清华生命科学院官网）

葛亮实验室的研究主要集中在三个相互关联的细胞学过程：细胞自噬（应激状态下细胞自我清理和更新内部物质的过程）、非经典分泌（近来发现的应激状态下不依赖于传统内质网高尔基体运输的分泌过程）和细胞器互作（细胞器之间通过接触相互协作调控细胞生命活动和应激的过程）。

他们运用细胞生物学、生物化学、动物模型和计算生物学等手段，研究这三个过程的细胞内调节和相互作用的分子机制，以及其生物学意义和相关人类疾病。

发现通路，解答两大谜题

几十年来，许多研究依靠亚细胞共定位来判定某一细胞器和自噬体的关联性，而葛亮在 Randy Schekman 实验室的工作，了解到内膜系统中的内质网 - 高尔基体中间体（ER-Golgi intermediate compartment， ERGIC）可以直接促进自噬体膜的产生。

后又发现饥饿状态下细胞内质网（ER）上的 ERES（ER-Exit Site）重塑，似乎和 ERGIC 产生一定联系促进自噬体的形成。

当时，葛亮并没有解答出，“为什么自噬体膜的来源是 ERGIC？”“ ERGIC 和 ERES 是如何作用形成自噬体膜的？”，这两大谜题。

最近发表的论文，给出了答案。

研究小组通过体外重建自噬体的脂化系统、膜泡分离和质谱鉴定，发现 ERGIC 蛋白 TMED9 在调控自噬体产生过程中发挥重要的作用。TMED9 缺失细胞内自噬体产生水平下降。

TMED9 是一种膜蛋白，属于 TMED（transmembrane emp24 domain-containing (TMED) proteins）家族的一员。

通过电镜和 3D 多色 STORM 成像技术，研究团队发现 TMED9 参与调节饥饿状态下 ERGIC-ERES 之间的相互联系。

图 | 电镜下显示，APEX2 标记的 TMED9-ERGIC 膜和双层膜自噬体紧密关联（来源：论文）

图丨利用 3D 多色 STORM 成像技术，显示，TMED9 在饥饿条件下定位于 ERGIC 和 ERES 的交界处（来源：论文）

而 TMED9 又是如何在此过程中发挥作用的呢？他们发现，ERGIC 上的 TMED9 通过结合 ERES 上的 SEC12，促使一类新型内膜互作 ERGIC-ERES 互作的形成。

研究小组利用 SD-SIM 活细胞成像，对 ERGIC-ERES 互作动态进行了分析，发现其互作时间（20-30s）较传统膜互作更短；利用电子断层扫描 3D 重构分析发现，ERGIC-ERES 互作面的最短距离可以达到 2-5 nm，比传统的细胞器膜互作（10-30 nm）距离更小。

以上发现提示了 ERGIC-ERES 互作有独特的功能。

最后，综合所有研究，他们最终证明了 TMED9 作为自噬调控因子，调节新型内膜 ERGIC-ERE，促进自噬体形成的分子通路。

图丨 ERES-ERGIC 接触形成和自噬体生物发生的模型，饥饿刺激通过影响 SEC12 与 FIP200 以及 CTAGE5 的互作导致 ERES 重塑。ERES 重塑促进 TMED9 与 SEC12 的结合，直接介导了 ERGIC-ERES 膜互作的形成，可以为 SEC12 从 ERES 到 ERGIC 的转移提供便利条件，而且由于接触非常紧密，位于 ERES 上的 SEC12 可直接反式激活 ERGIC 上 COPII 的产生。通过以上两种方式，ERGIC 可以在饥饿等胁迫条件下产生 COPII 自噬小泡，为自噬体的形成提供充足膜来源（来源：相关论文）

最后需要强调的是，该研究一个很明显的亮点就是，运用了多种研究技术和方法。比如，膜蛋白体外重建、超高分辨光学显微成像、电镜断层扫描与重构等等。

自噬的治疗意义

生物在饥饿状态（养分或氧气不足）下会展现积极的求生潜能，在细胞处于饥饿状态时，它可以透过自噬作用分解蛋白质和非必需的成分以产生能量，使细胞免于因养分缺乏而造成损伤。

此外，细胞自噬能帮助清除受损的细胞结构，防御病毒和细菌的入侵。但不正常的细胞自噬机制反而与癌症的发生有关，自噬功能降低也会触发多种疾病的生成。

图丨细胞自噬所影响的层面（来源：科技大观园）

自噬机制目前被应用在检测、抗衰老研究、新冠研究等等方面，了解自噬通路对于自噬调控药物开发有重要意义。

在免疫调控方面，细胞自噬途径能够调控生物体免疫系统的运作，但其间关系复杂。细胞自噬作用能正向调控免疫系统通过一系列免疫反应抵御外来病原体入侵或进行组织修复等，也能负向调控免疫细胞的活化，以避免过度的免疫反应造成身体无法负荷或因而产生了疾病。

另一方面，免疫细胞所释放的信号也能够诱导或抑制细胞自噬作用的发生，进而帮助其他细胞清除老旧细胞器蛋白质或清除病原体等功能。

整体来看，细胞自噬与免疫及发炎反应能彼此调控，互相影响，因此如有一方产生了问题，便可能导致疾病的产生，如炎症性肠道疾病克隆恩病、哮喘、自身免疫疾病红斑狼疮、溃疡性肠炎等。

在抗感染上，细胞自噬会在不同的压力或刺激下启动，对于细胞而言，感染也是一种刺激，病毒和细菌的感染则是造成人类疾病或死亡的重要原因。

许多研究都证实，细胞自噬能够做为细菌及病毒入侵时的防御机制，保护宿主细胞。然而目前已知也有些细胞内的细菌和病毒能够免于自噬作用的清除，而得以存活及复制。

此外，研究人员还发现，缺少细胞自噬易造成神经退化性疾病。在缺乏细胞自噬作用的神经细胞里，堆积着许多无法被清除的蛋白质，使得神经细胞中毒，甚至导致死亡，如阿兹海默氏病中的 β 淀粉样蛋白、帕金森氏症中的 α 突触核蛋白与亨丁顿舞蹈症中的含聚谷氨酸蛋白等。这些毒性蛋白无法顺利清除，可能是因病患神经细胞中的细胞自噬调控机制出了问题。

另外，自噬与心肌损伤、癌症等都有紧密的联系，此次自噬体膜来源的发现或许可以从分子角度重新定义自噬作用相关的疾病的治疗。