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为探究 ULK1C 与 PI3KC3-C1 在自噬起始中的协同机制，研究人员利用冷冻电镜等技术，解析人 ULK1C 核心及 ULK1C:PI3KC3-C1 超复合物结构，发现二者通过广泛接触形成复合物，ULK1 在 FIP200 支架上发生二聚化，为自噬研究提供新方向。
细胞作为生命体的基本单位，时刻进行着复杂的物质代谢与能量转换。自噬（Autophagy）作为细胞内降解受损组分的关键机制，如同细胞的 “清道夫”，在维持细胞稳态、应对环境压力及疾病发生发展中扮演着举足轻重的角色。特别是在神经元这类高度特化的细胞中，自噬功能异常与帕金森病等多种神经退行性疾病密切相关。然而，自噬起始过程中，上游核心复合物 ULK1 复合物（ULK1C）与 III 型磷脂酰肌醇 3 - 羟基激酶复合物 I（PI3KC3-C1）如何协同作用、精准调控自噬启动的分子机制，长期以来笼罩在一层神秘的面纱之下。现有研究多局限于片段结构或低分辨率解析，难以揭示这两个关键复合物在自噬起始中的动态协同奥秘，因此，深入解析它们的相互作用机制成为领域内亟待攻克的科学难题。
为了揭开这一科学谜团，来自美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）等机构的研究人员开展了系统性研究。他们聚焦于人类 ULK1C 与 PI3KC3-C1 复合物，通过先进的结构生物学与细胞生物学技术，旨在阐明二者在自噬起始中的结构基础与功能关联。这项研究成果发表在《Nature Structural & Molecular Biology》上，为理解自噬调控机制开辟了新的视野。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，运用冷冻电镜（Cryo-EM）技术，以高分辨率解析 ULK1C 核心及 ULK1C:PI3KC3-C1 超复合物的三维结构；其次，结合质谱技术（如氢 - 氘交换质谱 HDX-MS）与分子生物学手段（如免疫共沉淀、突变体分析），深入研究复合物各亚基间的相互作用界面；此外，通过构建 ATG13 敲除（KO）细胞模型，利用免疫印迹、Halo-LC3B 标记等细胞实验，验证复合物形成对自噬通量及相关信号通路的影响。
研究结果
冷冻电镜解析 ULK1C 核心结构（2:1:1 化学计量）
研究人员成功纯化了 ULK1C 核心复合物，其包含 FIP200N 端结构域（NTD）、ULK1 的微管相互作用与运输结构域（MIT）及 ATG13 的结合区域。冷冻电镜结果显示，FIP200NTD 形成 C 型二聚体，如同一个精巧的 “分子支架”，其臂状结构由三条螺旋束组成，通过二聚化结构域弯曲成 90°。ULK1MIT与 ATG13MIM形成异源二聚体，通过疏水相互作用锚定在 FIP200 二聚体的 “肩部”。进一步研究发现，ATG13 通过多个结合位点（如位点 1、2、4 及 M）与 FIP200 紧密结合，其中位点 2 和 4 的突变会显著影响自噬通量及 ULK1 激酶活性，揭示了 ATG13 在复合物组装中的关键作用。
ULK1C 与 PI3KC3-C1 形成超复合物
通过珠结合实验与冷冻电镜观察，证实 ULK1C 与 PI3KC3-C1 可直接相互作用形成超复合物。结构分析表明，二者通过 FIP200 与 PI3KC3-C1 的 VPS15、BECN1 及 ATG14 亚基广泛接触：FIP200 的泛素样结构域（ULD）与 VPS15 的螺旋螺线管结构域（HSD）相互作用，同时 BECN1 的 BH3 结构域及 ATG14-BECN1 锌指基序缠绕在 FIP200 的近端臂上，形成稳定的界面。值得注意的是，在 PI3KC3-C1 存在下，ULK1C 的化学计量从 2:1:1 转变为 2:2:2，即每个 FIP200 二聚体结合两个 ULK1-ATG13 异源二聚体，提示 PI3KC3-C1 可能通过促进 ULK1 二聚化激活其激酶活性。
ATG13 调控 ULK1 二聚化的分子机制
通过截短突变与质谱分析，发现 ATG13 的内在无序区域（IDR）中的位点 2（392-408）对抑制 ULK1 二聚化至关重要。当去除 ATG13IDR的位点 2 或引入突变时，即使在无 PI3KC3-C1 存在的情况下，ULK1C 也可形成 2:2:2 复合物，表明 ATG13 通过位点位点 2 充当 “分子刹车”，精细调控 ULK1 二聚化过程。进一步的浓度依赖性实验显示，高浓度下质量作用可驱动 2:1:1 向 2:2:2 转换，暗示自噬起始位点的局部高浓度环境可能是激活 ULK1 的关键因素之一。
研究结论与讨论
本研究通过高分辨率冷冻电镜结构解析与功能验证，首次揭示了人类 ULK1C:PI3KC3-C1 超复合物的组装机制及 ULK1 激活的结构基础。研究发现，PI3KC3-C1 通过与 FIP200 的广泛相互作用，诱导 ULK1 在 FIP200 支架上发生二聚化，这一过程类似于受体酪氨酸激酶（RTK）通过二聚化激活的经典模式，为理解 ULK1 激酶的激活提供了新范式。此外，ATG13 通过多个结合位点动态调控复合物的化学计量，揭示了自噬起始的精细调控网络。
该研究的意义深远：在基础科学层面，填补了自噬起始机制中 ULK1C 与 PI3KC3-C1 协同作用的关键空白，为解析自噬调控的分子逻辑提供了清晰的结构蓝图；在转化医学层面，靶向 ULK1C:PI3KC3-C1 相互作用界面或 ULK1 二聚化过程，有望开发调节自噬的新型疗法，为神经退行性疾病（如帕金森病）、癌症等与自噬异常相关的疾病提供潜在治疗靶点。正如研究人员所言，超复合物的发现不仅揭示了自噬启动的 “分子开关”，更开启了从结构角度干预自噬相关疾病的新方向，为后续药物研发与机制研究奠定了坚实基础。
