ATG4家族：自噬通量的分子守门人与疾病干预的新兴靶点

《Biochemical Pharmacology》：The ATG4 family: Molecular gatekeepers of autophagic flux and emerging targets for disease intervention

　　

自噬代表一种进化保守的细胞内降解途径。自噬的异常激活或自噬通量的受损对许多人类疾病（如肿瘤和神经障碍）的发病机制和进展有重大贡献。作为核心自噬机器中唯一的半胱氨酸蛋白酶，自噬相关蛋白 4 (ATG4) 家族蛋白直接驱动微管相关蛋白 1 轻链 3 (LC3) 和 γ-氨基丁酸受体相关蛋白 (GABARAP) 的加工和去脂质化循环。在本综述中，我们系统总结了四种哺乳动物 ATG4 亚型的研究进展，并阐述了它们的进化保守性、结构基础和构象激活机制。除了它们在切割自噬相关蛋白 8 (ATG8) 前体和介导去脂质化中的经典功能外，我们还涵盖了 ATG4 家族新兴的非经典活性。特别关注 ATG4 成员在不同疾病中发挥的亚型特异性和情境依赖性作用。累积证据确定 ATG4B 是研究最广泛且功能最核心的亚型，它参与细胞保护性自噬、治疗耐药性、神经元损伤、炎症调节和肿瘤进展。相比之下，ATG4A、ATG4C 和 ATG4D 可能根据组织背景、疾病阶段和应激刺激发挥补偿性或独立功能。此外，本综述对靶向 ATG4 的小分子抑制剂和激活剂进行了分类，并讨论了它们在联合疗法中逆转耐药性的潜在应用。最后，我们指出了当前研究在亚型功能分化、结构分析和药物开发方面的不足之处，并提出了参考解决方案，为自噬相关疾病的基础研究和靶向临床治疗提供理论依据。

自噬代表真核生物中一种进化保守的细胞内降解和回收过程。它在营养缺乏或细胞器损伤等应激条件下被诱导，通过降解受损的细胞内成分来维持细胞能量供应和代谢平衡 [1]。根据货物递送至溶酶体的方式，自噬主要分为巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬 [2]。巨自噬（以下简称自噬）是主要形式，其核心过程涉及用双层膜结构包裹货物形成自噬体，最终与溶酶体融合以完全降解底物 [3], [4]。因此，自噬是细胞在生理条件下维持稳态和自我更新的基本细胞保护机制。自噬通量稳态取决于多个分子水平的协同调节，该通路中任何单一环节的失调都可能损害回收过程的完整性。鉴于自噬膜的生物发生、延伸和闭合构成了控制自噬通量的核心限速步骤，系统阐明介导该膜重塑过程的关键蛋白家族及其潜在的分子调节机制，对于完全揭示自噬通路背后的分子机制至关重要。

调控自噬的分子机制最初是在酵母中系统表征的。在自噬相关蛋白中，自噬相关蛋白 4 (ATG4) 代表迄今为止唯一鉴定到的在自噬中直接执行催化活性的蛋白酶，且其针对自噬相关蛋白 8 (ATG8) 的调节机制高度进化保守 [5]。哺乳动物进化出了四个 ATG4 旁系同源基因，编码四种亚型：ATG4A、ATG4B、ATG4C 和 ATG4D。跨物种序列比对显示，从酿酒酵母、秀丽隐杆线虫和黑腹果蝇到大鼠和人，ATG4 蛋白核心催化域内的关键氨基酸残基高度同源甚至相同 [6]。在进化物种形成过程中，ATG4 家族获得了功能分化：哺乳动物 ATG4A 和 ATG4B 与果蝇 DmAtg4a 和线虫 CeAtg4.1 是直系同源关系，而 ATG4C 和 ATG4D 进化出了不同的功能偏好，四种亚型在 ATG8 家族的循环调节中发挥分工作用（图 1）。

有趣的是，这四个旁系同源蛋白在哺乳动物组织中表现出明显不同的表达谱，暗示每种亚型可能发挥细胞和组织特异性的生理功能。以人类为例：ATG4A 组织特异性低，在心脏、骨骼肌和胰腺等组织中普遍表达。最近的研究进一步确定了其在红细胞中的特异性富集，在那里它是红细胞发育期间自噬的关键调节因子 [7]。ATG4C 和 ATG4D 分别在脑和睾丸中显示相对较高的表达水平 [8]。相比之下，ATG4B 是一种广泛表达的亚型，在脑和肾脏等多个组织中大量表达，在右侧小脑半球中尤为丰富。此外，研究检测到大鼠小脑和嗅球神经元中显著的 ATG4B 表达，表明自噬可能深度参与神经元代谢过程 [9]。

尽管组织分布不同，但进化保守性意味着 ATG4 家族的核心生理功能仍围绕 ATG8 同源蛋白的成熟和回收。酵母 ATG8 在哺乳动物中进化成两个不同的亚家族，即微管相关蛋白 1 轻链 3 (LC3) 和 γ-氨基丁酸受体相关蛋白 (GABARAP) 亚家族。在自噬体生物发生过程中，膜的延伸和闭合都依赖于 ATG8 家族蛋白的脂质化。以 LC3 为例，LC3 前体 (pro-LC3) 与膜上的磷脂酰乙醇胺 (PE) 发生共价结合，生成膜结合的 LC3-II，从而驱动吞噬泡膜扩张 [10]。然而，新合成的 pro-LC3 的 C 端保留了一个额外的氨基酸残基，阻止了直接脂质化 [11]。作为自噬通路中唯一的半胱氨酸蛋白酶，ATG4 家族蛋白介导 LC3 的加工和去脂质化，从而维持自噬通量的完整循环。

正是因为 ATG4 家族是调节 ATG8 家族加工循环的核心枢纽，其表达失调或催化功能缺陷将直接破坏自噬稳态，从而参与各种人类疾病的病理过程。例如，在肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 等神经退行性疾病中，ATG4 活性不足导致 LC3 加工缺陷和自噬体成熟停滞，进一步加剧毒性蛋白聚集体的积累 [12]。相反，在多种癌症中，癌细胞利用 ATG4 家族（特别是 ATG4B）过表达诱导的自噬升高来耐受不良微环境，从而促进肿瘤增殖、转移和耐药性的发展 [13], [14], [15]。这些双重病理结果突显了 ATG4 家族在维持自噬稳态和疾病发病机制中的核心作用，标志着该家族是一个具有显著转化潜力的治疗靶点。近年来，靶向 ATG4 家族的特异性调节剂的开发获得了越来越多的研究关注，为相关疾病的精确干预提供了新策略。

因此，本综述系统总结了 ATG4 家族在广泛人类疾病中的研究进展，特别着重阐述了个别 ATG4 亚型在病理条件下的表达改变和功能机制。我们进一步评估了其治疗靶点潜力，并讨论了靶向 ATG4 家族的小分子调节剂的发展现状和现有挑战，旨在为自噬相关疾病的精确干预提供理论框架。

章节摘要

ATG4 家族结构
人类 ATG4A、ATG4B、ATG4C 和 ATG4D 分别由 398、393、458 和 474 个氨基酸残基组成（UniProt: Q8WYN0, Q9Y4P1, Q96DT6, Q86TL0）。序列比对显示，ATG4A 和 ATG4B 具有最高的同源性（57%），其次是 ATG4C 和 ATG4D（46.39%），而所有其他亚型组合的两两同源性均小于 33%。这表明该家族在进化过程中分化成了两个相对独立的支系，即 ATG4A/B 和 ATG4C/D [6]。

序列
ATG4 家族在人类疾病中的系统特异性病理功能
前述关于 ATG4 家族结构、PTM（翻译后修饰）和基本功能的讨论揭示了其分子作用的保守性和可塑性。这种可塑性使不同的 ATG4 亚型能够在不同的疾病背景下发挥保护或损害、促进生存或死亡的双重作用。这些蛋白的组织分布、激活机制、PTM 反应模式和亚型补偿关系决定了它们的差异化激活于

靶向 ATG4 的干预策略
ATG4B 在广泛的病理过程中（包括肿瘤、神经退行性疾病、炎症性肠病 (IBD) 以及心血管和呼吸系统疾病）发挥关键的调节作用，因此被认为是精确调节自噬的理想靶点。值得注意的是，报道的大多数 ATG4B 小分子调节剂都是基于肿瘤模型开发的。在本综述中，我们根据其功能特性将这些调节剂分为抑制剂和激活剂

结论与展望
本综述整合了 ATG4 家族的最新研究进展，系统梳理了 ATG4 四种亚型在结构、底物偏好和疾病方面的功能分化，阐明了它们在自噬依赖和非经典途径中的双重功能，并根据作用模式对靶向 ATG4 的小分子调节剂进行了分类和总结，为探索自噬机制和

CRediT 作者贡献声明
Dan Mu: 撰写 – 初稿，可视化，数据整理。Xiong Pei: 撰写 – 初稿，可视化，数据整理。Jiajie Feng: 撰写 – 初稿，可视化，数据整理。Xinzhu Dong: 可视化。Xuemei Qiu: 资金获取，撰写 – 审阅与编辑。Wenke Jin: 撰写 – 审阅与编辑，概念构思。Dongbo Wu: 撰写 – 审阅与编辑，监督，概念构思。Lan Zhang: 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号 22277102）、中央高校基本科研业务费（批准号 2682026ZTO004）和四川省科技计划（2025ZNSFSC1582）资助。

Dan Mu|Xiong Pei|Jiajie Feng|Xinzhu Dong|Xuemei Qiu|Wenke Jin|Dongbo Wu|Lan Zhang