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细胞自噬是真核生物细胞中一种高度保守的溶酶体介导的降解途径，通过在胞内形成双层膜结构的自噬小体，包裹并清除细胞内的有害物质，如有毒的蛋白质聚集体和受损的细胞器等【1】。神经元作为一种终末分化的细胞，无法通过分裂增殖更新，因此更加需要自噬来维持其正常功能和稳态。自噬过程由一系列自噬蛋白介导，其中包括关键的PI(3)P效应蛋白Atg18 （酵母中） ，Atg18在哺乳动物中有两个同源蛋白WDR45和WDR45B【2】。
人类遗传学研究发现自噬基因WDR45突变导致神经退行性疾病BPAN（β-propeller protein-associated neurodegeneration） ，这是一种伴随铁累积的神经退行性疾病 （neurodegeneration with brain iron accumulation, NBIA）【3】。BPAN病人的主要临床表现为婴幼年期出现静态性脑病，青春期突发帕金森症伴肌张力障碍和认知功能下降， 在MRI T2加权像上呈现低信号，形成典型“虎眼”征。WDR45突变还导致Rett综合征 （Rett syndrome） 、West综合征 （West syndrome） 及癫痫等具有相似临床特征的一系列疾病。WDR45B突变导致人类认知功能下降和智力减退，引起一种临床表现为智力障碍、痉挛性四肢瘫痪、癫痫和脑发育不全的神经系统疾病认知障碍 （intellectual disability, ID）【4】。
马萨诸塞大学医学院赵燕课题组前期研究构建了Wdr45和Wdr45b单基因敲除小鼠，发现小鼠出现运动功能下降和认知功能障碍，伴随脑内大量轴突肿胀，与BPAN和ID患者的特征症状相似【5,6】。同时敲除Wdr45和Wdr45b两个基因后，小鼠出现特异性神经系统自噬阻断，生后一天死亡，其他组织自噬正常，说明这两个基因互相代偿，且功能具有组织特异性。然而，人们对于WDR45/45B调控自噬通路的分子机制仍不清楚。
2021年2月25日，赵燕团队在Current Biology上发表了题为β-propeller proteins WDR45 and WDR45B regulate autophagosome maturation into autolysosomes in neural cells的文章。该研究揭示了WDR45/45B在神经细胞的自噬晚期阶段发挥功能，介导自噬小体与溶酶体的融合过程，促进自噬溶酶体的形成。
为了研究WDR45/45B的分子机制，研究人员首先构建了Wdr45和Wdr45b单敲 （KO） 及双敲 （DKO） 小鼠神经母细胞瘤细胞 （Neuro-2a, N2a） ，并发现Wdr45/45b DKO N2a细胞具有很强的自噬缺陷，而Wdr45 KO和Wdr45b KO细胞无明显自噬缺陷，验证了WDR45和WDR45B功能互相代偿。野生型WDR45和WDR45B可以逆转Wdr45/45b DKO细胞的自噬缺陷，但是疾病相关的突变体WDR45 （N61K, L98P） 和WDR45B （R109Q） 不能，说明疾病相关突变影响了WDR45/45B在自噬中的功能。进一步研究发现Wdr45/45b缺失，导致自噬小体变小，不影响自噬小体的形成，但是引起自噬小体与溶酶体的融合过程发生异常（见图1）。
图1. 与对照细胞相比，Wdr45/45b DKO细胞中LC3标记的自噬小体与LAMP1标记的溶酶体共定位明显减少
自噬小体与溶酶体的融合是一个复杂而精细的过程，需要栓系蛋白、SNARE复合体和Rab蛋白共同参与【7】。研究人员发现WDR45和WDR45B与栓系蛋白EPG5相互作用，并帮助其定位于晚期内吞体/溶酶体上，进而促进EPG5与SNARE蛋白的结合，调控自噬小体与溶酶体融合（见图2）。Wdr45/45b DKO细胞中，EPG5异常定位于自噬小体上，而与晚期内吞体/溶酶体上的Rab7相互作用显著减弱。位于自噬小体上的Qa-SNARE STX17，Qbc-SNARE SNAP29和位于溶酶体上的R-SNARE VAMP8组装成SNARE复合体，介导自噬小体与溶酶体的融合。Wdr45/45b缺失后，EPG5与STX17结合增强，与SNAP29/VAMP8互作减弱，同时SNARE复合体的装配明显减少。研究人员还发现疾病相关WDR45/45B突变体与EPG5相互作用减弱，阐释了这些突变影响WDR45/45B自噬功能的机制。上述结果表明WDR45/45B通过结合栓系蛋白EPG5，调控自噬小体和溶酶体的融合过程。
SNAP29的O-糖基化 （O-GlcNAcylation） 受到O-糖基转移酶 （O-GlcNAc transferase, OGT） 的调控，抑制O-GlcNAc-SNAP29促进自噬过程【8】。敲低Ogt促进了Wdr45/45b DKO细胞中SNARE复合体的装配，逆转了其自噬缺陷（见图2）。这一发现提示提高自噬小体与溶酶体的融合效率可以成为WDR45/45B相关疾病的潜在治疗方法。
图2. WDR45/45B在自噬中功能的示意图
综上所述，本研究揭示了人类神经系统疾病BPAN和ID致病基因WDR45和WDR45B在自噬小体成熟晚期的关键作用及其分子机制，为阐明相关人类疾病的致病机理提供了理论基础。本研究还提示研发促进自噬小体与溶酶体融合的方法，如抑制O-糖基化，可以作为治疗BPAN和ID的潜在靶点。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.01.081
中国科学院生物物理研究所博士后姬翠翠为本文的第一作者，马萨诸塞大学医学院高级研究科学家赵燕为本文的通讯作者。赵燕毕业于北京大学医学部，先后在中国科学院生物物理所和美国马萨诸塞大学医学院进行博士后研究，以第一作者和/或通讯作者身份在Molecular Cell、Current Biology、JCB、Autophagy等国际知名学术期刊发表论文十余篇，于2020年11月以助理教授加入南方科技大学生命科学院。赵燕课题组主要从事细胞生物学研究，利用细胞和小鼠模型，探索细胞自噬过程的分子机制和与神经退行性疾病的关系，以及内质网与各种细胞器互作的分子组成、调控机制和生理功能。现诚邀各位青年才俊（博后、研究生及研究助理）加入赵燕课题组，有意者请投递简历。
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制版人：十一
参考文献
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