潘李锋Nature子刊发表细胞自噬与疾病关联新发现

　　

　细胞自噬是一种在真核细胞中高度受调控的、溶酶体依赖性的重要细胞代谢过程，主要参与降解细胞内的大型蛋白聚集体、衰老损伤的细胞器以及侵入细胞的病原体等。它的功能异常与多种神经退行性疾病的发生密切相关。Optineurin(OPTN) 是一个多功能的自噬受体蛋白，在细胞选择性自噬的底物识别环节发挥着重要的作用，被报道参与选择性自噬降解细胞内衰老损伤的线粒体、毒性的蛋白聚集体以及入侵细胞的病原体，它的基因突变导致的功能异常与诸多神经退行性疾病的发生密切相关，如原发性开角型青光眼(POAG)和肌萎缩侧索硬化症(ALS)。同时，近期的遗传学研究表明：蛋白激酶TBK1的多种缺失体和点突变体与神经退行性疾病ALS的发生有关，尤其是位于与OPTN相互作用的C末端区域的TBK1 E696K突变体和690-713缺失体。此外，在Parkin介导的降解线粒体的选择性自噬(mitophagy)过程中，TBK1能够与自噬受体蛋白OPTN相互作用，进而磷酸化OPTN的LIR区域和UBAN结构域，从而参与调控相关的选择性细胞自噬过程。但是，迄今为止，关于OPTN蛋白与TBK1相互作用的结构基础以及与POAG和ALS疾病相关的基因突变的致病机制仍然未知。

    近期，中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室潘李锋研究组在国际期刊《自然-通讯》（Nature Communications）发表了题为Structural insights into the interaction and disease mechanism of neurodegenerative disease-associated optineurin and TBK1 proteins 的研究论文。该团队首先运用一系列的生化手段得到OPTN与TBK1发生相互作用的最小结合片段，然后运用X射线晶体衍射分析技术成功解析了OPTN与TBK1的复合物结构以及相关的TBK1与NAP1的复合物结构。这些解析的复合物结构不仅首次阐述了蛋白激酶TBK1与OPTN和NAP1相互作用的分子机制，揭示了一种TBK1识别不同脚手架蛋白的通用结合模式，而且从结构水平解释了POAG相关的OPTN E50K突变体和与ALS相关联的TBK1 E696K突变体的致病机制。此外，通过一系列的生物化学和细胞生物学实验发现：OPTN 的E50K突变不仅能增强与TBK1的相互作用，而且还能改变OPTN在细胞内的聚集状态；并且在细胞内，TBK1 E696K点突变能特异性地打破TBK1与OPTN的相互作用，但并不显著影响TBK1与其它受体蛋白的相互作用。此项研究为进一步理解和阐明自噬受体蛋白OPTN的作用机制、蛋白激酶TBK1参与调节OPTN介导的选择性细胞自噬分子机制以及TBK1和OPTN相关的基因突变引起神经退行性疾病的致病机理提供了重要的结构基础。

    潘李锋课题组的博士生李发祥为本文的第一作者，上述研究工作得到国家青年****项目、科技部国家重点研发专项项目、科技部“973”计划青年专题项目、国家自然科学基金委面上项目、上海市启明星项目、生命有机化学国家重点实验室及中科院的资助。

 

　　图(A) TBK1与OPTN, NAP1的结构域组成图。(B) 等温量热滴定法测定TBK1 CTD与OPTN(26-119)片段的相互作用。(C) OPTN与TBK1复合物结构的卡通模式图。(D) 等温量热滴定法测定TBK1 CTD与NAP1(215-254)片段的相互作用。(E) NAP1与TBK1复合物结构的卡通模式图。(F) OPTN野生型、OPTN E50K突变体与TBK1，以及OPTN野生型与TBK1 E696K突变体在HeLa细胞中的共定位分析。

原文摘要：

Structural insights into the interaction and disease mechanism of neurodegenerative disease-associated optineurin and TBK1 proteins

Optineurin is an important autophagy receptor involved in several selective autophagy processes, during which its function is regulated by TBK1. Mutations of optineurin and TBK1 are both associated with neurodegenerative diseases. However, the mechanistic basis underlying the specific interaction between optineurin and TBK1 is still elusive. Here we determine the crystal structures of optineurin/TBK1 complex and the related NAP1/TBK1 complex, uncovering the detailed molecular mechanism governing the optineurin and TBK1 interaction, and revealing a general binding mode between TBK1 and its associated adaptor proteins. In addition, we demonstrate that the glaucoma-associated optineurin E50K mutation not only enhances the interaction between optineurin and TBK1 but also alters the oligomeric state of optineurin, and the ALS-related TBK1 E696K mutation specifically disrupts the optineurin/TBK1 complex formation but has little effect on the NAP1/TBK1 complex. Thus, our study provides mechanistic insights into those currently known disease-causing optineurin and TBK1 mutations found in patients.