董會(huì)月 路君 林靈婧 譚建明

ULK1復(fù)合物在細(xì)胞自噬中的作用

董會(huì)月 路君 林靈婧 譚建明

ULK1復(fù)合物在細(xì)胞自噬的啟動(dòng)中發(fā)揮重要作用，其作用包括接收細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)信號(hào)，將下游Atg蛋白招募到自噬體形成部位，以及管理自噬體形成。目前研究工作表明在不依賴營(yíng)養(yǎng)和能量狀態(tài)下，ULK1復(fù)合物也有可能被激活。在這篇文章綜述了ULK1復(fù)合物是如何被不同的信號(hào)調(diào)控，以及ULK1復(fù)合物是如何調(diào)控細(xì)胞自噬機(jī)制的其他因素。

ULK1復(fù)合物； 自噬； 基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)胞自噬是繼凋亡之后，當(dāng)前生命科學(xué)最熱的研究領(lǐng)域。目前普遍認(rèn)為細(xì)胞自噬是一種防御和應(yīng)激調(diào)控機(jī)制。細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞自噬和溶酶體，消除、降解和消化受損、變性、衰老及失去功能的細(xì)胞、細(xì)胞器、變性蛋白質(zhì)與核酸等生物大分子，為細(xì)胞的重建、再生和修復(fù)提供必須原料，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的再循環(huán)和再利用。它既可以抵御病原體的入侵，又可以保衛(wèi)細(xì)胞免受細(xì)胞內(nèi)毒物的損傷。細(xì)胞自噬的過(guò)程中ULK1（unc-51 like kinase 1）復(fù)合物發(fā)揮了重要作用，本文就ULK1復(fù)合物在細(xì)胞自噬中的作用作一綜述。

一、細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是真核細(xì)胞的基本細(xì)胞進(jìn)程。20世紀(jì)50年代自噬體首次通過(guò)電鏡定義，到20世紀(jì)90年代細(xì)胞自噬被公認(rèn)為溶酶體降解途徑。細(xì)胞自噬（autophagy）是指在真核細(xì)胞中由雙層膜包裹部分胞質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)需降解的細(xì)胞器、蛋白質(zhì)等形成自噬體（autophagosome），并與內(nèi)涵體（endosome）融合形成自噬內(nèi)涵體（amphisomes），最后與溶酶體融合形成自噬性溶酶體（autophagolysosome），并降解所包裹的內(nèi)容物的過(guò)程。在基礎(chǔ)水平，自噬提供再循環(huán)的作用，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。在營(yíng)養(yǎng)剝奪、細(xì)菌感染或者其他應(yīng)激的條件下，細(xì)胞自噬也能被誘導(dǎo)發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)的作用。目前很多重要研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞自噬在組織穩(wěn)態(tài)和人類疾病，例如癌癥、神經(jīng)退行性病變、感染、免疫和老化中發(fā)揮了舉足輕重的作用。細(xì)胞自噬同時(shí)也與新生兒存活和細(xì)胞代謝緊密相關(guān)［1］。

作者單位：350025 福州，南京軍區(qū)福州總院福建省移植生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在酵母中，細(xì)胞自噬的核心機(jī)制中包括多達(dá)40個(gè)蛋白［2］，在人類細(xì)胞中甚至更多。細(xì)胞自噬通過(guò)ULK1復(fù)合物啟動(dòng)［3］。ULK1是一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸激酶，是重要的人類細(xì)胞自噬相關(guān)基因之一，位于人類12號(hào)染色體的q24.3。一個(gè)ULK1基因有28517個(gè)堿基，包含28個(gè)外顯子，翻譯成1050個(gè)氨基酸。哺乳動(dòng)物基因組中ULK1有五個(gè)同源染色體：ULK1、ULK2、ULK3、ULK4和STK36（Ser/Thr kinase 36）。人類ULK1復(fù)合物包括ULK1、FIP200（FAK family kinase interacting protein of 200 kDa）和Atg101［4］。目前已知ULK1和ULK2在細(xì)胞自噬中發(fā)揮了重要作用，在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中同時(shí)敲除ULK1和ULK2可以強(qiáng)力的抑制依賴于營(yíng)養(yǎng)的細(xì)胞自噬［5］。第二個(gè)主要的復(fù)合物是Beclin1-PI3KC3（Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶），參與募集細(xì)胞質(zhì)中含3-磷酸磷脂酰肌醇結(jié)合域的Atg蛋白復(fù)合體。Atg9跨膜蛋白，WIPI蛋白和Atg2蛋白在小囊泡成核中發(fā)揮了作用。泛素樣LC3/Atg8家族蛋白、Atg12以及Atg12的共軛系統(tǒng)在自體吞噬體膜的擴(kuò)張和蛋白的募集中發(fā)揮了作用［6］。

細(xì)胞自噬可以隨機(jī)地降解底物，也可以有選擇性的降解底物。公認(rèn)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞自噬銜接子可以連接泛素化蛋白，但是蛋白也可以被直接識(shí)別或者被其他修飾識(shí)別［7］。

二、ULK1復(fù)合物的上游調(diào)控

（一）哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mechanistic target of rapamycin-1， mTORC1）

mTOR（mammalian target of rapamycin）是雷帕霉素（rapamycin）的靶分子，是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在感受營(yíng)養(yǎng)信號(hào)、調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖中起著關(guān)鍵性的作用。mTOR在細(xì)胞生長(zhǎng)中處于核心地位，可在多種因素的活化下參與基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯起始、核糖體生物合成、細(xì)胞凋亡等多種生物學(xué)功能。mTOR被認(rèn)為是磷脂酰肌醇3-激酶相關(guān)激酶（phosphatidylinositol 3-kinase（PI3K）-related kinase，PIKK）蛋白質(zhì)家族成員，因?yàn)樵趍TOR的C末端有一個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域（kinase domain），約234個(gè)氨基酸，并與多種蛋白相互作用形成兩個(gè)不同的復(fù)合物mTORC1和mTORC2，其中mTORC1參與了ULK1復(fù)合物的調(diào)控。

在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，ULK1復(fù)合物與mTORC1相關(guān)。mTORC1是一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸激酶復(fù)合物，包含mTOR，Raptor，mLST8（GβL），Pras40，Deptor和Tti1/Tel2。mTORC1整合包括來(lái)源于生長(zhǎng)因子和氨基酸的多種信號(hào)，并且控制細(xì)胞進(jìn)程，例如蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞自噬［8］。當(dāng)mTORC1在活化狀態(tài)時(shí)，它可以通過(guò)磷酸化ULK1和ATG13來(lái)抑制細(xì)胞自噬，降低ULK1激酶活性［9-10］。ULK1的化學(xué)抑制可以阻止雷帕霉素觸發(fā)細(xì)胞自噬，表明在細(xì)胞自噬中ULK1的調(diào)控是一個(gè)關(guān)鍵步驟，誘導(dǎo)下游mTORC1的抑制［11］。在饑餓條件下，mTORC1被抑制，ULK1復(fù)合物從mTORC1上脫離重新回到自體吞噬膜，活化的ULK1自體磷酸化并且磷酸化復(fù)合物中的FIP200和Atg13［12］。

在mTORC1有可能活化時(shí)，甚至在非饑餓的條件下，選擇性的細(xì)胞自噬也能被誘導(dǎo)。Rui等［13］研究發(fā)現(xiàn)在昆蟲(chóng)和哺乳動(dòng)物中，Huntingtin蛋白可以激活選擇性細(xì)胞自噬。Huntingtin由Huntington疾病中的突變基因編碼，并且它本身是一個(gè)細(xì)胞自噬的底物［14］。Huntingtin在選擇性細(xì)胞自噬中的明確功能是通過(guò)與銜接蛋白P62相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且提高對(duì)泛素K63標(biāo)記的蛋白的識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)Huntingtin通過(guò)直接結(jié)合ULK1使之脫離mTORC1來(lái)促進(jìn)三條不同的選擇性細(xì)胞自噬通路［13］。

（二）單磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）

AMPK是廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)的重要蛋白激酶，AMPK由α、β、γ三個(gè)亞單位組成， 這三個(gè)亞單位由7個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)亞型（protein isoforms）組成，分別是α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3。其中，α亞單位包含了一個(gè)具有催化作用的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，β和γ亞單位則起調(diào)節(jié)作用。作為能量感受器，AMPK通過(guò)感知細(xì)胞內(nèi)AMP：ATP比值的變化來(lái)調(diào)控線粒體的功能，從而維持能量穩(wěn)態(tài)。升高的AMP ： ATP或ADP ： ATP比值都會(huì)使AMPK激活，啟動(dòng)分解代謝的信號(hào)通路，同時(shí)抑制合成代謝的信號(hào)通路，提高細(xì)胞ATP水平。研究顯示，α亞單位172位蘇氨酸（Thr172）的磷酸化是AMPK激活的主要機(jī)制，其中肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）和鈣/鈣調(diào)蛋白激酶激β（calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase beta，CaMKKβ）對(duì)AMPK起主要調(diào)控作用，因?yàn)檫@兩個(gè)酶的活性決定Thr172的磷酸化。AMPK最初被鑒定為是一個(gè)絲氨酸/蘇氨酸激酶，它負(fù)調(diào)控脂類合成代謝中的數(shù)個(gè)關(guān)鍵酶。同時(shí)，AMPK被認(rèn)為是一個(gè)主要的能量感受器激酶，它可以激活一系列的分解代謝的進(jìn)程，例如：葡萄糖的攝取和代謝；它還可以抑制多種合成代謝通路，例如：脂類、蛋白質(zhì)和碳水化合物的生物合成。

除了mTORC1外，主要的能量感受器AMPK也傳遞細(xì)胞環(huán)境信號(hào)和調(diào)控ULK1［15］。細(xì)胞在低糖或發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)后，AMPK被激活，從而促使細(xì)胞內(nèi)ATP的合成，并阻止其分解。AMPK間接活化ULK1復(fù)合物。AMPK參與由饑餓誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬過(guò)程，涉及多種方式，如糖饑餓誘導(dǎo)產(chǎn)生氧自由基（reactive oxygen species，ROS），通過(guò)Ca2+-CaMKKβ通路來(lái)激活A(yù)MPK。糖饑餓也可通過(guò)降低細(xì)胞內(nèi)ATP濃度直接激活A(yù)MPK。AMPK也可以直接磷酸化ULK1在激酶和C末端區(qū)域之間的的連接區(qū)域的多個(gè)位點(diǎn)，雖然一個(gè)研究顯示AMPK抑制細(xì)胞自噬［16-17］，但是研究也顯示在大多數(shù)情況下AMPK可以激活細(xì)胞自噬。AMPK也可以磷酸化Atg13。AMPK通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子FOXO3來(lái)促進(jìn)細(xì)胞自噬，也可以通過(guò)磷酸化Raptor和TSC2來(lái)抑制mTORC1從而促進(jìn)細(xì)胞自噬。

三、ULK1復(fù)合物的底物和抑制劑

（一）底物

Beclin1-PI3KC3復(fù)合物是第二個(gè)重要的細(xì)胞自噬信號(hào)復(fù)合物，對(duì)于自噬體的形成必不可少，生成PI3P，PI3P為募集DFCP1和WIPI2等效應(yīng)器蛋白提供平臺(tái)。Russell等［18］研究發(fā)現(xiàn)ULK1磷酸化BECN1的Ser14位點(diǎn)，激活PI3KC3復(fù)合物并且促進(jìn)細(xì)胞自噬。Egan的研究小組確定ULK1具有磷酸化的作用，發(fā)現(xiàn)ULK1偏重于以絲氨酸作為磷酸化受體和疏水殘基周圍的磷酸化位點(diǎn)，并確認(rèn)了ULK1的底物包括ULK1復(fù)合物的成員，兩個(gè)磷酸化位點(diǎn)位于Atg101其他多個(gè)位點(diǎn)位于FIP200和Atg13［19］。

氨基酸饑餓或者雷帕霉素處理的條件下，ULK1能磷酸化Beclin-1的Ser-14，而B(niǎo)eclin-1的磷酸化可以激活另一自噬起始復(fù)合物hVPs34［18］。ULK1同樣可以磷酸化hVps34復(fù)合物的配體AMBRA1，使得AMBRA1-hVps34復(fù)合物轉(zhuǎn)移至PAS［20］。

除了參與自噬體形成的磷酸化蛋白質(zhì)，在蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激條件下ULK1可以磷酸化銜接子蛋白p62，增加P62對(duì)泛素結(jié)合的親和力［21］。

（二）抑制劑

在過(guò)去的幾年中有一些ULK1抑制劑的報(bào)道［22-23］。Petherick等［24］研究者闡述了化合物MRT67307和MRT68921及其使用，得出了ULK1激酶活性在自噬體起始和成熟中重要作用這一結(jié)論。Egan等［19］鑒定了ULK1的一個(gè)小分子抑制劑SBI-0206965，可以抑制ULK1在VPS34和BECN1上位點(diǎn)的磷酸化作用，并且在體內(nèi)可以選擇性抑制內(nèi)源性ULK1激酶活性。Lazarus等［22］發(fā)現(xiàn)的 MRT67307和數(shù)個(gè)抑制劑能同時(shí)抑制ULK1和ULK2，而 SBI-0206965選擇性的抑制ULK1。ULK1/2 的小分子抑制劑具有腫瘤治療的潛在用途，因?yàn)橐恍┠[瘤與細(xì)胞自噬關(guān)系密切［25］。ULK1/2激動(dòng)劑的可能應(yīng)用很少有人討論，但是從原則上來(lái)講它可能在神經(jīng)退行性病變和感染中是有用的，因?yàn)樵谶@些疾病中細(xì)胞自噬的功能被疾病消除［26-27］。

四、展望

目前研究已經(jīng)初步闡明ULK1復(fù)合物在營(yíng)養(yǎng)信號(hào)、細(xì)胞自噬因素的組裝和細(xì)胞自噬的執(zhí)行中所起的作用。隨著對(duì)細(xì)胞自噬研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)ULK1復(fù)合物在高等真核生物中具有獨(dú)特的功能并鑒定出許多不同的組分。隨著對(duì)ULK1復(fù)合物調(diào)控mTORC1和AMPK的深入理解，將有可能對(duì)癌癥、神經(jīng)退行性病變、感染、免疫和老化提出新的治療策略，特別是在腫瘤的治療方面。在惡性腫瘤發(fā)生的起始階段，細(xì)胞自噬對(duì)腫瘤的發(fā)生具有抑制作用，因?yàn)閁LK1復(fù)合物在細(xì)胞自噬中發(fā)揮了重要調(diào)控作用，所以在腫瘤臨床與基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用具有廣闊的前景，為腫瘤的預(yù)防與治療提供合理的策略。

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（本文編輯：李少婷）

董會(huì)月，路君，林靈婧，等. ULK1復(fù)合物在細(xì)胞自噬中的作用［J/CD］.中華細(xì)胞與干細(xì)胞雜志：電子版， 2016， 6（4）：240-242.

Function of the ULK1 complex in autophagy

Dong Huiyue， Lu Jun， Lin Lingjing， Tan Jianming.

Fujian Provincial Key Laboratory of Transplant Biology， Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command， Fuzhou 350025， China

Tan Jianming， Email：tanjm156@xmu.edu.cn

The ULK1 complex plays an essential role in the initiation autophagy， receiving signals of cellular nutrient status， recruiting downstream Atg proteins to the autophagosome formation site， and governing autophagosome formation. Recent work suggests that the ULK1 complex might also be activated in selective autophagy independent of nutrient or energy status. In this review will discuss our current understanding of how the ULK1 complex is regulated by different signals， as well as how this complex then regulates other components of the autophagy machinery.

ULK1 complex； Autophagy； Gene expression regulation

10.3877/cma.j.issn.2095-1221.2016.04.008

福建省科技重大專項(xiàng)（2012YZ0001）

譚建明，Email：tanjm156@xmu.edu.cn

（2016-05-23）