NEJM：没有关键的自噬基因ATG7，人类也能生存

2021年7月26日讯/生物谷BIOON/---根据一项新的研究，导致一种称为ATG7的蛋白接近或完全丧失的遗传变化与人类的复杂神经发育障碍有关。该蛋白控制着称为自噬的细胞内回收过程中的一个关键步骤，被认为是生存所必需的，因为ATG7敲除小鼠出生后不久就会死亡。相关研究结果发表在2021年6月24日的New England Journal of Medicine期刊上，论文标题为“Developmental Consequences of Defective ATG7-Mediated Autophagy in Humans”。

自噬是一种细胞内的降解过程，可以防止受损蛋白质和细胞器的堆积，并在营养缺乏时释放出必要的营养物。在这种多步骤的过程中，一种双层膜开始在注定要被降解的分子货物周围形成，形成自噬体。当形成时，这种双层膜上装饰着有助于收集分子货物的蛋白质。一旦完全形成，自噬体与溶酶体融合，它的内含物遭受化学降解和酶降解。以前的研究已发现，ATG7对自噬体形成和成熟的几个步骤非常重要。

论文通讯作者Rob Taylor说，他在英国惠康线粒体研究中心的实验室研究线粒体功能障碍如何导致人类疾病。

几年前，一个有两个孩子（一对姐妹）的家庭联系了诊断和治疗罕见的线粒体疾病患者的惠康线粒体研究中心，这两个孩子有一系列类似的症状，包括学习困难、共济失调（无法控制身体运动）、面部畸形和大脑异常。当这些作者对这对姐妹的DNA进行全外显子组测序时，他们没有发现线粒体存在问题，而是发现她们的两个ATG7等位基因都发生隐性功能丧失的突变。

Taylor回忆说，“这让我们坐不住了，然后说，‘好吧，我们不从事自噬工作，但这真地很令人关注’。这就是这项研究的开始。”

在确定了ATG7突变后，这些作者收集了细胞并通过蛋白质免疫印迹寻找ATG7蛋白。Taylor说，“看吧，我们检测不到任何ATG7蛋白。”他说，这真地令人关注，因为它完全违背了这种蛋白质是必不可少的观点。

论文第一作者Jack Collier说，“说实话，根据遗传变异，我们预计不会有ATG7蛋白。但在阅读了这些24小时内死亡的自噬缺陷小鼠之后，真正亲眼看到实验数据，还是有点感到吃惊。”

经典的降解性自噬，图片来自New England Journal of Medicine, 2021, doi:10.1056/NEJMoa1915722。

在接下来的几年里，这些作者利用GeneMatcher工具与来自世界各地的其他四个家庭联系，这些家庭也有ATG7的严重隐性突变，并有与第一组患者类似的症状。一些人还有癫痫发作或使用轮椅。

为了找出ATG7缺失的功能后果，这些作者将这些患者的基因加入到ATG7基因敲除的小鼠成纤维细胞中，与具有野生型等位基因的成纤维细胞相比，可观察到自噬减少。当他们培养患者的皮肤细胞时，他们观察到一些患者的自噬潮（autophagic flux, 自噬发生的速度）与健康对照组相比急剧下降。

美国纽约市立大学皇后学院生物学家Alicia Meléndez（没有参与这项研究）说，她认为这些患者的样本是这项研究最令人关注和最不寻常的地方。“[这些研究人员]从活组织中分离出细胞，然后他们对自噬潮进行了实际测试。”

但令人惊讶的是，并非所有患者都完全丧失了自噬。玛格丽特-萨拉斯生物研究中心细胞生物学家Patricia Boya（没有参与这项研究）说，当患者的ATG7基因没有功能时，它并没有“完全消除自噬，因为[这些研究人员]找到了自噬体”。

观察到这些患者仍然具有较低的自噬水平也让美国西奈山伊坎医学院神经科学家Zhenyu Yue（没有参与这项研究）感到吃惊。他说，这一发现表明人体“有能力补偿一些自噬功能，这一点与小鼠模型不同”。Boya指出，由于自噬是如此重要，可能存在不依赖于ATG7的自噬途径。

这些作者发现，当他们把ATG7的野生型等位基因放回患者的成纤维细胞中时，它将ATG7的表达和自噬体形成的标志物拯救到正常水平，这提示着，恢复ATG7功能拷贝的基因疗法在未来可能对患者有益。

另一个令人惊讶的发现是，ATG7缺失的程度并不与患者症状的严重程度相关。事实上，Collier说，情况恰恰相反。他说，“完全没有ATG7的患者表现出最温和的临床表型，尽管他们有最严重的自噬生化缺陷，而自噬损伤最轻的患者则表现出最严重的临床表型。”他说，该团队有兴趣对此进行跟踪，试图找出原因。

该研究提出的一个主要问题是ATG7的丧失如何导致患者的神经发育症状。Yue说，“我们知道自噬对神经系统非常重要”，并补充说自噬遭受损害已与多种主要的神经退行性疾病相关，包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）和亨廷顿舞蹈病。他说，但是像ATG7这样的核心自噬基因从未与人类的神经发育疾病直接相关。

Meléndez指出，ATG7有可能在自噬之外有一种与患者症状有关的作用。虽然其他自噬相关基因与神经系统疾病有关，但这些蛋白质中的许多也有其他功能。

Yue说，下一步将是研究人类神经元中的自噬，也许是通过对皮肤细胞进行重编程而构建出诱导性多能干细胞（iPS），并将ips细胞分化为神经元。Taylor说，他的团队已经在计划开展这方面的后续研究工作。

Taylor说，“我们还有很多工作要做。将ATG7缺失带入其他模型系统，产生神经细胞系，并尝试在来自患者的更多生理相关组织中进行研究。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jack J. Collier et al. Developmental Consequences of Defective ATG7-Mediated Autophagy in Humans. New England Journal of Medicine, 2021, doi:10.1056/NEJMoa1915722.

Ian Ganley. The Importance of Being Autophagic. New England Journal of Medicine, 2021, doi:10.1056/NEJMe2107506.