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ATG9 是定位在胞內(nèi) 30~60 nm 囊泡上的膜蛋白，一般以同型三聚體形式存在，在自噬體形成過程的多個步驟中發(fā)揮作用。在酵母細胞中，它作為“膜的種子”招募自噬機器，促進自噬膜的起始。同時，ATG9 具有促磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性，可調(diào)節(jié)膜脂質(zhì)的不對稱分布，影響膜形態(tài)和功能，從而促進自噬隔離膜的延伸【1, 2】。ATG9 還具有獨立于自噬過程的功能。例如在哺乳動物中，ATG9A 可被招募至受損質(zhì)膜區(qū)域，協(xié)調(diào)靶向運輸所需的內(nèi)體分選復(fù)合體（ESCRT）機器修復(fù)質(zhì)膜損傷。

溶酶體在多種細胞過程中發(fā)揮著重要的作用，包括物質(zhì)降解、營養(yǎng)傳感、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、質(zhì)膜修復(fù)、細胞粘附和細胞遷移等【3】。由各種損傷觸發(fā)的溶酶體膜通透化（LMP）影響細胞穩(wěn)態(tài)，并可誘導(dǎo)炎癥和細胞死亡。溶酶體膜可以通過多種機制修復(fù)，包括ESCRT或膜聯(lián)蛋白到受損部位；應(yīng)力顆粒對受損部位的物理密封和穩(wěn)定；以及溶酶體脂質(zhì)組成的改變等【4, 5】。

近日，來自中國科學(xué)院生物物理研究所的張宏研究團隊在Journal of Cell Biology雜志發(fā)表題為

The autophagy protein ATG-9 regulates lysosome function and integrity

的研究論文，該研究揭示了自噬關(guān)鍵蛋白 ATG-9 通過調(diào)控磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性，促進受損溶酶體修復(fù)的分子機制。

張宏實驗室前期鑒定的新自噬基因epg-5的突變體中，自噬體和非降解自噬溶體大量積累，造成自噬底物的累積以及溶酶體輕度受損【6】。研究人員利用自噬底物GFP::SEPA-1為報告蛋白，篩選鑒定出atg-9突變體（bp1607 或bp1532）可挽救epg-5中自噬缺陷，促進GFP::SEPA-1的降解（圖1）。與atg-9(null)突變體完全喪失功能造成嚴重的自噬缺陷不同，atg-9(bp1532) 突變體并沒有自噬缺陷。

圖1 bp1607 挽救了epg-5(null)突變體中的自噬缺陷

研究發(fā)現(xiàn)bp1532突變體導(dǎo)致ATG-9蛋白第475位的半胱氨酸（Cys, C）突變成苯丙氨酸（Phe, F），該位點位于ATG-9 組成同型三聚體的 “中心孔道”中（圖2），該孔道與ATG-9的促磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性有關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)其它減弱ATG-9 促磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性的突變也能挽救epg-5造成的自噬缺陷。

圖2 ATG-9 的三維結(jié)構(gòu)及其促磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性減弱的突變

ATG-9(C475F)突變體可以特異性地挽救由于溶酶體失能造成的自噬缺陷，促使研究者們?nèi)ヌ骄科鋵θ苊阁w活性的影響。發(fā)現(xiàn)與野生型線蟲相比，在atg-9(bp1532)中，NUC-1蛋白標記的溶酶體數(shù)量增加。同時，atg-9(bp1532)也使得epg-5突變體中增大的溶酶體恢復(fù)為正常大小（圖3）。與之相比，atg-9(null)中，溶酶體數(shù)量減少，個體增大且形態(tài)異常。使用Galectin-3（sfGFP::Gal3）作為報告蛋白來指示溶酶體損傷時，發(fā)現(xiàn)在野生型線蟲中sfGFP::Gal3彌散分布不同，epg-5(null)中形成不規(guī)則的聚集體，并隨著epg-5(null)線蟲的衰老而增加。而這種累積可以被atg-9(bp1532)抑制（圖3），這表明atg-9(bp1532)可以促進epg-5(null)中輕度損傷溶酶體的修復(fù)。同樣地，電鏡結(jié)果也揭示了atg-9(bp1532)可以極大地抑制epg-5(null)中累積的異常增大的溶酶體。

圖3 ATG-9(C475F) 促進溶酶體的生成和修復(fù)

進一步研究表明，減少磷脂酰乙醇胺（PE）合成可產(chǎn)生與 ATG-9 磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性減弱突變體類似的表型。即在epg-5(null)中，降低 PE 合成同樣能夠促進溶酶體修復(fù)并改善自噬缺陷。

綜上，ATG-9 的磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性減弱可能直接或間接地改變?nèi)苊阁w膜內(nèi)、外層磷脂的分布，進而影響膜曲率，促進溶酶體的生成和修復(fù)（圖4）。溶酶體功能受損及其完整性喪失與溶酶體貯積癥及神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。本研究揭示的 ATG-9 磷脂翻轉(zhuǎn)酶活性，為探索改善溶酶體功能障礙相關(guān)疾病的發(fā)病機制及其潛在的藥物靶點提供了新的研究思路。

中國科學(xué)院生物物理研究所張宏研究員為論文通訊作者，中國科學(xué)院生物物理研究所博士生彭康福為論文的第一作者。中國科學(xué)院生物物理研究所博士生趙國秀，副研究員趙紅玉和北海道大學(xué)遺傳病控制研究所研究員Nobuo N. Noda也參與了該課題的研究。

文章鏈接：

https://rupress.org/jcb/article-abstract/224/6/e202411092/277375/The-autophagy-protein-ATG-9-regulates-lysosome?redirectedFrom=fulltext

制版人：十一

參考文獻

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2. Matoba, K., T. Kotani, A. Tsutsumi, T. Tsuji, T. Mori, D. Noshiro, Y. Sugita, N. Nomura, S. Iwata, Y. Ohsumi, T. Fujimoto, H. Nakatogawa, M. Kikkawa, and N.N. Noda. 2020. Atg9 is a lipid scramblase that mediates autophagosomal membrane expansion.Nat Struct Mol Biol.27:1185-1193.

3. Ballabio, A., and J.S. Bonifacino. 2020. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis.Nat Rev Mol Cell Bio.21:101-118.

4. Skowyra, M.L., P.H. Schlesinger, T.V. Naismith, and P.I. Hanson. 2018. Triggered recruitment of ESCRT machinery promotes endolysosomal repair.Science.360:eaar5078.

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（*排名不分先后）