TMIMS的研究人员发现,PINK1(丝氨酸/苏氨酸激酶)和Parkin(泛素连接酶:E3)协同作用,泛素化了受损线粒体的外膜蛋白,从而诱导了称为自噬的选择性自噬。这种线粒体的功能障碍导致线粒体质量下降和ROS过度产生,因此与遗传性隐性帕金森氏病的发展有关。
在细胞中,泛素充当选择性自噬的信号。已经提出,与泛素和自噬体形成因子结合的自噬适应蛋白与选择性自噬有关。哺乳动物细胞编码五个自噬适配器(p62,NBR1,TAX1BP1,NDP52,OPTN),并且据报道,OPTN和NDP52在PINK1 / Parkin介导的细胞吞噬中起关键作用。但是,OPTN和NDP52诱导线粒体吞噬的分子机制仍然不清楚。PINK1是否对受损的线粒体和/或由PINK1产生的磷酸化泛素起直接自噬信号的作用也引起争议。在这项研究中,TMIMS的Yamano及其同事阐明了一种新的机制,通过该机制,与PINK1 / Parkin缀合的泛素链作为自噬信号被读出。
首先,Yamano及其同事发现,可以通过人为地靶向线粒体外膜的线性泛素链或诱导特定线粒体外膜蛋白泛素化的化合物SNIPER诱导线粒体吞噬。这些结果表明,线粒体表面上的遍在蛋白链本身对于线粒吞噬是必不可少的,而PINK1和磷酸化的遍在蛋白对于帕金激活是必不可少的,但对于线粒吞噬却不是。
接下来,在诱导帕金介导的细胞吞噬后,检查了自噬衔接蛋白(p62,NBR1,NDP52,OPTN)的细胞内定位。所有自噬衔接蛋白都募集到受损的线粒体上。但是,研究人员发现p62和NBR1在整个线粒体中均匀分布,而NDP52和OPTN仅位于线粒体的受限区域。由于自噬小体标记分子LC3B也位于该亚结构域中,因此可以预期NDP52和OPTN专门积聚在泛素化线粒体与自噬小体之间的接触部位。
接下来,Yamano及其同事希望阐明NDP52和OPTN如何将泛素化转化为自噬降解信号的分子机制。为了解决这个问题,研究人员使用了Fluoppi系统(Watanabe et al.Sci Rep 2017),其中蛋白质-蛋白质相互作用可以检测为细胞中的荧光灶。在Fluoppi系统中,与同源低聚Ash标签融合的蛋白质'A'和与同源四聚体Azami Green(AG)融合的蛋白质'B'被共表达。如果“ A”与“ B”相互作用,则它们通过多价相互作用(例如,Ash标签的多聚化,AG的四聚化以及“ A”和“ B”之间的相互作用)在细胞中形成相分离的荧光灶。
当融合有Ash标签的串联泛素和融合有AG的自噬适应蛋白在细胞中共表达时,通过相分离形成了荧光灶。如上所述,NDP52和OPTN定位于线粒体和自噬体之间的假定接触位点。因此,研究人员检查了LC3家族蛋白是否在自噬衔接子和泛素形成的灶中积累。出乎意料的是,由p62或NBR1而非由NDP52或OPTN形成的相分离灶包含更多的LC3家族蛋白。由于p62和NBR1对于PINK1 / Parkin介导的线粒体而言是可有可无的,因此这些结果表明,OPTN和NDP52在线粒体中的关键作用并非仅源自与LC3的结合能力。
Yamano及其同事随后搜索了与OPTN和泛素协同作用的自噬相关蛋白(ATG蛋白)。尽管OPTN荧光灶中不包含ATG13,ATG14,WIPI2和ATG16L1,但ATG9A已与OPTN灶完全合并。由于在其他自噬衔接子(例如NDP52,p62和NBR1)形成的灶中未观察到ATG9A,因此这些结果表明OPTN与ATG9A特异性相互作用。
为了缩小对于OPTN-ATG9A相互作用必不可少的位点,构建了OPTN的一系列缺失突变体和几个氨基酸取代基。研究人员最终发现,OPTN中的亮氨酸拉链结构域对于ATG9A结合至关重要。实际上,在亮氨酸拉链结构域中具有突变的OPTN形成了荧光“ Fluoppi病灶”,其泛素相当于野生型OPTN,但ATG9A定位到荧光病灶中却被完全削弱。