PNAS | 潘李锋组揭示自噬相关SNARE蛋白介导自噬体-溶酶体融合的分子机制

责编 | 酶美

细胞自噬是真核细胞内一种高度受调控的，利用溶酶体来降解大型蛋白聚集体、受损细胞器、入侵病原体等成分以应对内外界细胞压力和维持细胞动态平衡的重要分解代谢过程。细胞自噬在众多的生理过程中扮演着重要的角色，比如细胞生长、胚胎发育和免疫反应等，同时它的功能异常或缺失与大量的人类疾病相关联，比如癌症、神经退行性疾病等。

根据不同的作用模式，哺乳动物细胞内的细胞自噬又可细分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的细胞自噬三种类型。其中，巨自噬是哺乳动物细胞中最普遍的一种细胞自噬类型，依赖于一种具有双层膜结构、被称为自噬体（autophagosome）的特殊囊泡。巨自噬过程的最后阶段是具有双层膜结构的自噬体与单层膜结构的溶酶体融合形成自噬溶酶体的过程，接着溶酶体内的各类水解酶将自噬体内膜及其包裹的物质降解成小分子并释放至胞浆中以供细胞循环利用。

近些年的研究已发现多个参与自噬体-溶酶体融合过程的调控因子，例如SNARE蛋白，ATG8家族蛋白、系绳因子HOPS复合物和ATG14蛋白等。其中，Syntaxin17蛋白作为一个关键的自噬相关的SNARE蛋白，可以结合ATG8家族蛋白、以及另两个SNARE蛋白SNAP29和VAMP8蛋白促进自噬体和溶酶体的融合过程，但是这些蛋白相互协作实现融合的具体分子机制尚不清楚。

近日，中科院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室的潘李锋课题组在PNAS发表了题为“Decoding three distinct states of the Syntaxin17 SNARE motif in mediating autophagosome-lysosome fusion”的文章，揭示了Syntaxin17的SNARE模序在介导自噬体和溶酶体过程中采取三种不同的构象来发挥特定功能的分子机制。

本研究首先利用液体核磁共振技术对Syntaxin17的SNARE模序进行了详细的核磁表征，并发现其SNARE模序可以特异性地结合Syntaxin17氨基端的Habc结构域，该结合可以进一步诱导Habc结构域发生构象变化，从而使单独存在的Syntaxin17处于自抑制的闭合状态。同时，综合运用快速蛋白液相色谱、等温滴定量热技术、圆二色谱和分析型超速离心等一系列生化表征手段，本研究还发现Syntaxin17的SNARE模序区域中含有一个可以选择性地结合ATG8家族蛋白中GABARAP亚家族成员的LIR模序。有趣的是，GABARAP的结合会将处于自抑制状态中的Syntaxin17的Habc结构域释放出来，从而便于其结合下游的相关蛋白。进一步该团队也成功解析了Syntaxin17 LIR/GABARAP复合物的晶体结构，首次揭示了Syntaxin17结合GABARAP的分子机制，并发现Syntaxin17的LIR模序中核心序列后的羧基端的延伸区域形成的310-螺旋是Syntaxin17选择性识别ATG8家族蛋白的关键因素。

此外，本研究也对Syntaxin17参与组装的、介导自噬体和溶酶体融合的关键SNARE复合物—Syntaxin17/SNAP29/VAMP8复合物做了详尽的生化和结构表征，揭示了该自噬SNARE复合物内部核心相互作用界面的氨基酸残基的排布模式及其对该SNARE复合物组装的重要性。

图1：Syntaxin17的自噬SNARE模序处于三种不同状态时的相关核磁共振和晶体结构数据

潘李锋团队的这些发现揭示了Syntaxin17在介导自噬体和溶酶体融合过程中存在三种不同的状态：为避免内在无序结构的SNARE模序的潜在蛋白降解，单独存在时Syntaxin17处于自抑制的闭合状态；结合ATG8家族蛋白后Syntaxin17可释放出其Habc结构域结合下游蛋白；最后Syntaxin17结合SNAP29和VAMP8形成SNARE复合物促进自噬体和溶酶体的融合。本项研究工作为后续进一步理解自噬体和溶酶体融合这一重要巨自噬过程提供了坚实的结构基础。

图2. Syntaxing17在介导自噬体和溶酶体融合过程中三种不同状态的卡通示意图

据悉，该项工作主要由中科院上海有机所的博士研究生李颖完成，中科院上海有机所已毕业的程小芳博士和李淼硕士也为该项研究做出了重要的贡献。同时，中科院上海有机所的潘李锋研究员为该论文的通讯作者。

https://www.pnas.org/content/early/2020/08/18/2006997117

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