Cell Rep丨自噬核心E1酶ATG7的双重角色：揭示其作为蛋白质ATG8ylation底物的新型负反馈机制

自噬是细胞内高度保守的降解途径，通过形成双膜结构的自噬体，包裹胞内受损组分并将其靶向至溶酶体进行降解，在维持细胞稳态中发挥核心作用。自噬过程的执行依赖于一系列自噬相关蛋白（ATGs）的协同作用，其中，自噬关键蛋白LC3/ATG8蛋白的脂化（形成LC3/ATG8-PE修饰，即“membrane ATG8ylation”），是自噬体膜延伸与成熟的关键标志事件【1】。

近年来，研究发现LC3/ATG8作为类泛素蛋白，不仅可修饰脂质，还可直接以共价键形式修饰细胞内蛋白质，形成一种新型的翻译后修饰——即protein LC3ylation/ATG8ylation【2-3】。作为一种新型翻译后修饰，与研究广泛的的LC3脂化相比，蛋白质ATG8ylation的研究仍相当有限。目前其仅有少数几个底物被鉴定，包括ATG3【2】、ATG16L1【4】和NUFIP2【5】。除ATG3的K243位点外，尚未有其他蛋白ATG8ylation修饰位点的报道。

因此，蛋白质ATG8ylation的分子机制仍有待探索，特别是哪些关键分子驱动ATG8ylation对底物的靶向和修饰，以及它们如何运作，都尚未明确。虽然有假说认为蛋白质ATG8ylation可能是细胞应对应激的一种方式，但该领域的研究仍然较少【3】。蛋白质ATG8ylation在自噬调控或其他生物学功能中的作用仍不清楚。因此，这种新型翻译后修饰所扮演的生理角色需要进一步研究，特别是其对特定底物的靶向作用。

近日，中山大学的李民团队在Cell Reports杂志上发表了题为Identification of ATG7 as a protein ATG8ylation substrate的研究论文。该研究筛选开发出用于研究蛋白质ATG8ylation的分子工具，并发现自噬的核心启动E1酶ATG7本身即是该修饰的关键底物。研究人员证实，ATG7在K140位点发生ATG8ylation后，会阻碍其与E2酶ATG3的相互作用，从而负反馈抑制自噬活性。这项工作揭示了蛋白质ATG8ylation作为一种新型翻译后修饰在自噬调控中的核心作用，并为理解相关疾病的机制提供了新视角。

首先，基于蛋白质ATG8ylation领域研究工具的有限，研究团队基于ATG4B-LC3共晶结构，筛选出两个适用于研究ATG8ylation的LC3B新型突变体：Q116A/P和F80A/L82A。这两个突变体能有效抵抗ATG4家族的酶切，保留蛋白质ATG8ylation修饰能力，为后续研究提供了有效的工具。利用这些工具，研究人员通过系统的基因敲除筛选，发现蛋白质ATG8ylation不依赖于自噬中经典的ULK1复合物、PI3K复合物及E3-like复合物（ATG5-ATG12/ATG16L1），但依赖于ATG4、ATG3和ATG7。

对蛋白质ATG8ylation修饰的串联亲和纯化质谱方法，成功从细胞中富集并鉴定出潜在的系列蛋白质ATG8ylation底物，包括自噬核心E1酶ATG7。随后，团队通过巧妙设计进行修饰位点筛选，将ATG7的主要蛋白质ATG8ylation位点锁定于高度保守的K140残基。在机制层面，研究团队首次明确了蛋白质ATG8ylation的酶级联反应：ATG7和ATG3分别扮演着E1和E2酶的角色。另外提示了真核细胞内可能存在尚不明确的E3连接酶负责底物特异性识别。

最后，研究聚焦于这一修饰的生物学功能。他们构建了内源性ATG7 K140R点突变细胞模型，发现消除ATG7的ATG8ylation修饰后，自噬活性增强。机制探究表明，ATG7的K140位点位于其与ATG3的相互作用界面附近，ATG8ylation修饰可能会空间阻碍两者结合，从而负向调控自噬通量。这揭示了一种由ATG7自身催化的精密的负反馈调节机制。

综上所述，本研究通过开发新型工具分子和底物鉴定方法，不仅系统阐明了蛋白质ATG8ylation的特异性酶学机制，还首次揭示了自噬核心酶ATG7兼具“催化剂”与“底物”的双重身份，并提出其通过自身ATG8ylation修饰形成负反馈回路以调控自噬活性的新模型，深化了对自噬调控网络复杂性的理解，为针对自噬相关疾病的治疗策略提供了新的潜在靶点。

原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2211124725012562

制版人：十一

参考文献

1. Levine, B., and Kroemer, G. (2019). Biological Functions of Autophagy Genes: A Disease Perspective.Cell176, 11–42.

2. Agrotis, A., von Chamier, L., Oliver, H., Kiso, K., Singh, T., and Ketteler, R. (2019). Human ATG4 autophagy proteases counteract attachment of ubiquitin-like LC3/GABARAP proteins to other cellular proteins.J. Biol. Chem.294, 12610–12621.

3. Carosi, J.M., Nguyen, T.N., Lazarou, M., Kumar, S., and Sargeant, T.J. (2021). ATG8ylation of proteins: A way to cope with cell stress?J. Cell Biol.220, e202108120.

4. Nguyen, T.N., Padman, B.S., Zellner, S., Khuu, G., Uoselis, L., Lam, W.K., Skulsuppaisarn, M., Lindblom, R.S.J., Watts, E.M., Behrends, C., and Lazarou, M. (2021). ATG4 family proteins drive phagophore growth independently of the LC3/GABARAP lipidation system.Mol. Cell81, 2013–2030. e9.

5. Jia, J., Wang, F., Bhujabal, Z., Peters, R., Mudd, M., Duque, T., Allers, L., Javed, R., Salemi, M., Behrends, C., et al. (2022). Stress granules and mTOR are regulated by membrane atg8ylation during lysosomal damage.J. Cell Biol.221, e202207091.

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