ULK1复合物在细胞自噬中的作用

董会月 路君 林灵婧 谭建明

ULK1复合物在细胞自噬中的作用

董会月 路君 林灵婧 谭建明

ULK1复合物在细胞自噬的启动中发挥重要作用，其作用包括接收细胞营养状态信号，将下游Atg蛋白招募到自噬体形成部位，以及管理自噬体形成。目前研究工作表明在不依赖营养和能量状态下，ULK1复合物也有可能被激活。在这篇文章综述了ULK1复合物是如何被不同的信号调控，以及ULK1复合物是如何调控细胞自噬机制的其他因素。

ULK1复合物； 自噬； 基因表达调控

细胞自噬是继凋亡之后，当前生命科学最热的研究领域。目前普遍认为细胞自噬是一种防御和应激调控机制。细胞通过细胞自噬和溶酶体，消除、降解和消化受损、变性、衰老及失去功能的细胞、细胞器、变性蛋白质与核酸等生物大分子，为细胞的重建、再生和修复提供必须原料，实现细胞的再循环和再利用。它既可以抵御病原体的入侵，又可以保卫细胞免受细胞内毒物的损伤。细胞自噬的过程中ULK1（unc-51 like kinase 1）复合物发挥了重要作用，本文就ULK1复合物在细胞自噬中的作用作一综述。

一、细胞自噬

细胞自噬是真核细胞的基本细胞进程。20世纪50年代自噬体首次通过电镜定义，到20世纪90年代细胞自噬被公认为溶酶体降解途径。细胞自噬（autophagy）是指在真核细胞中由双层膜包裹部分胞质以及细胞内需降解的细胞器、蛋白质等形成自噬体（autophagosome），并与内涵体（endosome）融合形成自噬内涵体（amphisomes），最后与溶酶体融合形成自噬性溶酶体（autophagolysosome），并降解所包裹的内容物的过程。在基础水平，自噬提供再循环的作用，维持细胞稳态。在营养剥夺、细菌感染或者其他应激的条件下，细胞自噬也能被诱导发挥细胞保护的作用。目前很多重要研究发现细胞自噬在组织稳态和人类疾病，例如癌症、神经退行性病变、感染、免疫和老化中发挥了举足轻重的作用。细胞自噬同时也与新生儿存活和细胞代谢紧密相关［1］。

作者单位：350025 福州，南京军区福州总院福建省移植生物学重点实验室

在酵母中，细胞自噬的核心机制中包括多达40个蛋白［2］，在人类细胞中甚至更多。细胞自噬通过ULK1复合物启动［3］。ULK1是一个丝氨酸/苏氨酸激酶，是重要的人类细胞自噬相关基因之一，位于人类12号染色体的q24.3。一个ULK1基因有28517个碱基，包含28个外显子，翻译成1050个氨基酸。哺乳动物基因组中ULK1有五个同源染色体：ULK1、ULK2、ULK3、ULK4和STK36（Ser/Thr kinase 36）。人类ULK1复合物包括ULK1、FIP200（FAK family kinase interacting protein of 200 kDa）和Atg101［4］。目前已知ULK1和ULK2在细胞自噬中发挥了重要作用，在小鼠胚胎成纤维细胞中同时敲除ULK1和ULK2可以强力的抑制依赖于营养的细胞自噬［5］。第二个主要的复合物是Beclin1-PI3KC3（Ⅲ型磷脂酰肌醇三磷酸激酶），参与募集细胞质中含3-磷酸磷脂酰肌醇结合域的Atg蛋白复合体。Atg9跨膜蛋白，WIPI蛋白和Atg2蛋白在小囊泡成核中发挥了作用。泛素样LC3/Atg8家族蛋白、Atg12以及Atg12的共轭系统在自体吞噬体膜的扩张和蛋白的募集中发挥了作用［6］。

细胞自噬可以随机地降解底物，也可以有选择性的降解底物。公认的哺乳动物细胞自噬衔接子可以连接泛素化蛋白，但是蛋白也可以被直接识别或者被其他修饰识别［7］。

二、ULK1复合物的上游调控

（一）哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mechanistic target of rapamycin-1， mTORC1）

mTOR（mammalian target of rapamycin）是雷帕霉素（rapamycin）的靶分子，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在感受营养信号、调节细胞生长与增殖中起着关键性的作用。mTOR在细胞生长中处于核心地位，可在多种因素的活化下参与基因转录、蛋白质翻译起始、核糖体生物合成、细胞凋亡等多种生物学功能。mTOR被认为是磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶（phosphatidylinositol 3-kinase（PI3K）-related kinase，PIKK）蛋白质家族成员，因为在mTOR的C末端有一个激酶结构域（kinase domain），约234个氨基酸，并与多种蛋白相互作用形成两个不同的复合物mTORC1和mTORC2，其中mTORC1参与了ULK1复合物的调控。

在营养充足的条件下，ULK1复合物与mTORC1相关。mTORC1是一个丝氨酸/苏氨酸激酶复合物，包含mTOR，Raptor，mLST8（GβL），Pras40，Deptor和Tti1/Tel2。mTORC1整合包括来源于生长因子和氨基酸的多种信号，并且控制细胞进程，例如蛋白质合成和细胞自噬［8］。当mTORC1在活化状态时，它可以通过磷酸化ULK1和ATG13来抑制细胞自噬，降低ULK1激酶活性［9-10］。ULK1的化学抑制可以阻止雷帕霉素触发细胞自噬，表明在细胞自噬中ULK1的调控是一个关键步骤，诱导下游mTORC1的抑制［11］。在饥饿条件下，mTORC1被抑制，ULK1复合物从mTORC1上脱离重新回到自体吞噬膜，活化的ULK1自体磷酸化并且磷酸化复合物中的FIP200和Atg13［12］。

在mTORC1有可能活化时，甚至在非饥饿的条件下，选择性的细胞自噬也能被诱导。Rui等［13］研究发现在昆虫和哺乳动物中，Huntingtin蛋白可以激活选择性细胞自噬。Huntingtin由Huntington疾病中的突变基因编码，并且它本身是一个细胞自噬的底物［14］。Huntingtin在选择性细胞自噬中的明确功能是通过与衔接蛋白P62相互作用来实现的，并且提高对泛素K63标记的蛋白的识别。研究发现Huntingtin通过直接结合ULK1使之脱离mTORC1来促进三条不同的选择性细胞自噬通路［13］。

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

AMPK是广泛存在于动植物体内的重要蛋白激酶，AMPK由α、β、γ三个亚单位组成， 这三个亚单位由7个基因编码的蛋白质亚型（protein isoforms）组成，分别是α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3。其中，α亚单位包含了一个具有催化作用的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域，β和γ亚单位则起调节作用。作为能量感受器，AMPK通过感知细胞内AMP：ATP比值的变化来调控线粒体的功能，从而维持能量稳态。升高的AMP ： ATP或ADP ： ATP比值都会使AMPK激活，启动分解代谢的信号通路，同时抑制合成代谢的信号通路，提高细胞ATP水平。研究显示，α亚单位172位苏氨酸（Thr172）的磷酸化是AMPK激活的主要机制，其中肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）和钙/钙调蛋白激酶激β（calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase beta，CaMKKβ）对AMPK起主要调控作用，因为这两个酶的活性决定Thr172的磷酸化。AMPK最初被鉴定为是一个丝氨酸/苏氨酸激酶，它负调控脂类合成代谢中的数个关键酶。同时，AMPK被认为是一个主要的能量感受器激酶，它可以激活一系列的分解代谢的进程，例如：葡萄糖的摄取和代谢；它还可以抑制多种合成代谢通路，例如：脂类、蛋白质和碳水化合物的生物合成。

除了mTORC1外，主要的能量感受器AMPK也传递细胞环境信号和调控ULK1［15］。细胞在低糖或发生氧化应激反应后，AMPK被激活，从而促使细胞内ATP的合成，并阻止其分解。AMPK间接活化ULK1复合物。AMPK参与由饥饿诱导的细胞自噬过程，涉及多种方式，如糖饥饿诱导产生氧自由基（reactive oxygen species，ROS），通过Ca2+-CaMKKβ通路来激活AMPK。糖饥饿也可通过降低细胞内ATP浓度直接激活AMPK。AMPK也可以直接磷酸化ULK1在激酶和C末端区域之间的的连接区域的多个位点，虽然一个研究显示AMPK抑制细胞自噬［16-17］，但是研究也显示在大多数情况下AMPK可以激活细胞自噬。AMPK也可以磷酸化Atg13。AMPK通过激活转录因子FOXO3来促进细胞自噬，也可以通过磷酸化Raptor和TSC2来抑制mTORC1从而促进细胞自噬。

三、ULK1复合物的底物和抑制剂

（一）底物

Beclin1-PI3KC3复合物是第二个重要的细胞自噬信号复合物，对于自噬体的形成必不可少，生成PI3P，PI3P为募集DFCP1和WIPI2等效应器蛋白提供平台。Russell等［18］研究发现ULK1磷酸化BECN1的Ser14位点，激活PI3KC3复合物并且促进细胞自噬。Egan的研究小组确定ULK1具有磷酸化的作用，发现ULK1偏重于以丝氨酸作为磷酸化受体和疏水残基周围的磷酸化位点，并确认了ULK1的底物包括ULK1复合物的成员，两个磷酸化位点位于Atg101其他多个位点位于FIP200和Atg13［19］。

氨基酸饥饿或者雷帕霉素处理的条件下，ULK1能磷酸化Beclin-1的Ser-14，而Beclin-1的磷酸化可以激活另一自噬起始复合物hVPs34［18］。ULK1同样可以磷酸化hVps34复合物的配体AMBRA1，使得AMBRA1-hVps34复合物转移至PAS［20］。

除了参与自噬体形成的磷酸化蛋白质，在蛋白质毒性应激条件下ULK1可以磷酸化衔接子蛋白p62，增加P62对泛素结合的亲和力［21］。

（二）抑制剂

在过去的几年中有一些ULK1抑制剂的报道［22-23］。Petherick等［24］研究者阐述了化合物MRT67307和MRT68921及其使用，得出了ULK1激酶活性在自噬体起始和成熟中重要作用这一结论。Egan等［19］鉴定了ULK1的一个小分子抑制剂SBI-0206965，可以抑制ULK1在VPS34和BECN1上位点的磷酸化作用，并且在体内可以选择性抑制内源性ULK1激酶活性。Lazarus等［22］发现的 MRT67307和数个抑制剂能同时抑制ULK1和ULK2，而 SBI-0206965选择性的抑制ULK1。ULK1/2 的小分子抑制剂具有肿瘤治疗的潜在用途，因为一些肿瘤与细胞自噬关系密切［25］。ULK1/2激动剂的可能应用很少有人讨论，但是从原则上来讲它可能在神经退行性病变和感染中是有用的，因为在这些疾病中细胞自噬的功能被疾病消除［26-27］。

四、展望

目前研究已经初步阐明ULK1复合物在营养信号、细胞自噬因素的组装和细胞自噬的执行中所起的作用。随着对细胞自噬研究的深入，研究者发现ULK1复合物在高等真核生物中具有独特的功能并鉴定出许多不同的组分。随着对ULK1复合物调控mTORC1和AMPK的深入理解，将有可能对癌症、神经退行性病变、感染、免疫和老化提出新的治疗策略，特别是在肿瘤的治疗方面。在恶性肿瘤发生的起始阶段，细胞自噬对肿瘤的发生具有抑制作用，因为ULK1复合物在细胞自噬中发挥了重要调控作用，所以在肿瘤临床与基础研究方面的应用具有广阔的前景，为肿瘤的预防与治疗提供合理的策略。

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（本文编辑：李少婷）

董会月，路君，林灵婧，等. ULK1复合物在细胞自噬中的作用［J/CD］.中华细胞与干细胞杂志：电子版， 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

福建省科技重大专项（2012YZ0001）

谭建明，Email：tanjm156@xmu.edu.cn

（2016-05-23）