【科技前沿】张宏团队揭示自噬调控新机制：I

作者：杨超月

蛋白质液-液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）介导细胞内多种无膜细胞器或大分子凝聚体的形成。相分离形成的凝聚体起到分隔细胞组分的作用，从而在空间上保证了不同的细胞功能高效、有序的进行。近年研究发现，转录因子、转录中介体Mediator和RNA聚合酶等转录组份通过液-液相分离形成转录凝聚体（transcriptional condensates），激活下游基因转录【1-3】。但是当没有受到转录信号刺激时，这些液-液相分离的转录因子与其他转录组分之间的相互作用是如何被调控的尚未被阐明。
细胞自噬（autophagy）是一种在真核生物中高度保守的由溶酶体介导的降解途径，对细胞应对各种应激条件以及维持稳态平衡至关重要。自噬通过形成双层膜的自噬体包裹部分细胞质，如受损伤的细胞器或错误折叠的蛋白质等，并运输至溶酶体进行降解。自噬活性异常与癌症、神经退行性疾病、免疫系统疾病等多种人类疾病的发生发展相关【4-6】。
2020年12月7日，中国科学院生物物理研究所张宏课题组在Developmental Cell杂志在线发表了题为Inositol polyphosphate multikinase inhibits liquid-liquid phase separation of TFEB to negatively regulate autophagy activity 的研究论文，该文揭示了肌醇多磷酸激酶IPMK通过抑制转录因子TFEB的液-液相分离调控自噬活性和溶酶体产生的机制。

为研究自噬活性的调控机制，张宏实验室建立了秀丽隐杆线虫(C. elegans)为研究多细胞生物自噬活性调控的模型。通过遗传筛选，作者发现线虫ipmk-1 (bp1075)突变体中自噬活性显著升高。ipmk-1编码线虫中的肌醇多磷酸激酶IPMK。IPMK主要定位于细胞核中，在胞质中也有少量分布，其已知的功能主要是催化产生IP4、IP5等高磷酸肌醇和三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3）。在哺乳动物细胞中敲除IPMK也显著提高自噬活性，并促进溶酶体产生和功能（图1）。IPMK对于自噬活性和溶酶体产生的调控依赖于IPMK的细胞核定位而不依赖于其酶活性。

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图1. 敲除IPMK提升自噬活性并促进溶酶体的产生和功能
进一步研究发现，IPMK对于自噬活性和溶酶体产生的调控依赖于转录因子TFEB。IPMK缺失可以特异性地提高TFEB的转录活性，促进TFEB下游基因的转录，进而促进溶酶体的产生和功能，提升自噬活性。敲减TFEB能够抑制IPMK敲除细胞中异常增强的自噬活性和增多的溶酶体。TFEB是调控自噬-溶酶体通路相关基因转录的关键转录因子。目前已知的多种信号通路通过影响TFEB的磷酸化水平和入核转运来调控其转录活性。但该研究发现敲除IPMK并不影响TFEB的磷酸化水平及其在胞质与核之间的运输（图2）。那么IPMK如何影响TFEB的功能呢？

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图2. IPMK缺失特异性地提高了TFEB的转录活性而不影响其入核转运
研究发现核中的TFEB通过形成具有液态特征的点状凝聚体结构参与转录过程。TFEB蛋白能够在体外发生液-液相分离。IPMK可以与TFEB直接作用抑制TFEB的液-液相分离，也可使形成的TFEB蛋白凝聚体解聚，这种抑制效果随着IPMK浓度的升高而增强。在IPMK缺失细胞中，核内的TFEB凝聚体结构显著增多，与转录中介体Mediator以及下游基因LAMP1 mRNA共定位的TFEB凝聚体也明显增多（图3）。这些结果提示IPMK在核中起到TFEB分子伴侣的作用，通过调节TFEB凝聚体的形成调控下游基因的转录水平。

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图3. IPMK调控具转录活性的TFEB凝聚体的形成
这项研究揭示了一种自噬活性调控的新机制，细胞核内的IPMK通过与TFEB直接相互作用抑制TFEB凝聚体的组装，从而调控自噬溶酶体通路相关基因的转录。转录组分在细胞核内形成大量的凝聚体结构，这项成果也为研究转录凝聚体的调控机制提供了新思路。

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图4. IPMK通过抑制转录因子TFEB的液-液相分离而调控自噬活性
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参考文献
1. Banani, S.F., Lee, H.O., Hyman, A.A., and Rosen, M.K. (2017). Biomolecular condensates: organizers of cellular biochemistry. Nature Reviews Molecular Cell Biology 18, 285-298.
2. Boija, A., Klein, I.A., Sabari, B.R., Dall'Agnese, A., Coffey, E.L., Zamudio, A.V., Li, C.H., Shrinivas, K., Manteiga, J.C., Hannett, N.M., et al. (2018). Transcription Factors Activate Genes through the Phase-Separation Capacity of Their Activation Domains. Cell 175, 1842-1855.e1816.
3. Plys, A.J., and Kingston, R.E. (2018). Dynamic condensates activate transcription. Science 361, 329-330.
4. Mizushima, N., Yoshimori, T., and Ohsumi, Y. (2011). The Role of Atg Proteins in Autophagosome Formation. Annual Review of Cell and Developmental Biology 27, 107-132.
5. Zhao, Y.G., and Zhang, H. (2019). Autophagosome maturation: An epic journey from the ER to lysosomes. The Journal of Cell Biology 218, 757-770.
6. Schneider, J.L., and Cuervo, A.M. (2014). Autophagy and human disease: emerging themes. Current Opinion in Genetics & Development 26, 16-23.
本文转载自公众号“BioArt”（BioGossip）
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