Autophagy：中山大学李民团队揭示核心自噬E1酶ATG7的双重作用

哺乳动物Atg8（ATG8）家族蛋白与膜组分的共价结合是膜ATG8化（脂化）的一个基本过程。尽管膜ATG8化已得到充分表征，但蛋白质ATG8化——即ATG8直接与细胞蛋白结合——仍不明确。

2025年12月26日，中山大学李民独立通讯在Autophagy 在线发表题为“The dual role of core autophagy E1 enzyme ATG7: revealing a new negative feedback mechanism as a substrate for protein ATG8ylation”的研究论文。该研究证明，蛋白质ATG8化完全依赖于ATG4、ATG3和ATG7。作者发现核心巨自噬/自噬E1酶ATG7具有双重功能：它不仅是蛋白质ATG8化所必需的E1酶，同时也是关键底物。

作者确定ATG7的K140位点是修饰位点，并证明ATG7的蛋白质ATG8化形成单-LC3B偶联物。研究表明，这种自我修饰通过阻碍ATG7-ATG3相互作用形成负反馈环路，从而减弱自噬流。作者的研究结果重新定义了ATG7在蛋白质ATG8化级联中的核心作用与调节功能，揭示了一种新的自噬调控机制。

自噬是一种通过降解受损蛋白质和细胞器来维持稳态的细胞降解途径，其依赖于泛素样ATG8家族蛋白介导膜动力学。ATG8蛋白的脂化是自噬过程中的关键步骤，由一系列连续的酶促反应所介导。这些反应包括E1样酶ATG7、E2样酶ATG3和ATG10，以及E3样ATG12–ATG5-ATG16L1复合物。首先，ATG7以ATP依赖的方式激活ATG8，形成硫酯键。该中间产物随后被转移至ATG3，形成ATG3–ATG8硫酯中间体。继之，与ATG16L1结合的ATG12–ATG5复合物促使ATG8共价连接至吞噬泡膜上的磷脂酰乙醇胺（PE），从而完成脂化（或称膜ATG8化）。人类ATG8家族包括MAP1LC3/LC3亚家族（LC3A、LC3B和LC3C）以及GABARAP亚家族（GABARAP、GABARAPL1和GABARAPL2），在自噬中发挥核心作用。这些ATG8蛋白最初以前肽形式（pro-ATG8）存在，并被ATG4家族切割。此切割暴露出C末端的一个保守甘氨酸残基（ATG8-I），从而使其能够进行后续的脂化（ATG8–PE/ATG8-II）。此外，ATG4还参与去脂化过程，即将ATG8从PE上移除。

蛋白质ATG8化是一种新型的翻译后修饰，其中ATG8与细胞蛋白质形成共价连接，该过程可被ATG4逆转。尽管膜ATG8化已被充分阐明，但蛋白质ATG8化的功能仍不清楚。目前仅鉴定出少数蛋白质ATG8化的底物，包括ATG3、ATG16L1和NUFIP2。此外，除ATG3的K243位点外，尚未有其他ATG8化位点被报道。驱动蛋白质ATG8化的分子机制，包括关键分子的鉴定及其作用，仍有待探索。在本研究中，作者重新定义了ATG7不仅是蛋白质ATG8化所必需的E1酶，也是一个关键底物，揭示了一个控制自噬的复杂自我调节环路。

模式机理图（图片源自Autophagy ）

作者首先通过鉴定抗去结合的LC3B突变体（Q116A和F80A L82A），建立了研究蛋白质ATG8化的分子工具。利用这些工具及系统性的遗传筛选方法，作者证明蛋白质ATG8化严格依赖于由ATG4、ATG3和ATG7组成的核心酶促机制，但显著独立于其他自噬起始复合物（ULK1和BECN1复合物）以及脂化所需的经典E3样ATG12–ATG5-ATG16L1复合物。

通过设计的串联亲和纯化-质谱分析，作者鉴定出ATG7是蛋白质ATG8化的一个新底物。通过系统的突变分析，作者确定K140是ATG7上被LC3B修饰（LC3B化）的主要位点。该修饰代表一个单ATG8化事件，与作者发现的在另一底物上形成的赖氨酸依赖性多聚LC3B链形成对比。作者进一步确认了其酶学作用，证实ATG7和ATG3分别作为蛋白质ATG8化的E1和E2酶。然而，作者未能在原核系统中重建该过程，这表明在哺乳动物细胞中可能还存在尚未鉴定的、底物特异性的E3连接酶参与其中。

除机制上的发现外，作者的工作揭示了这种自我修饰的生理意义。通过构建内源性ATG7K140R突变（该突变消除了ATG8化）的细胞模型，作者发现该修饰充当了自噬的内置制动器。位于ATG7与ATG3相互作用界面附近的K140位点的ATG8化，从空间上阻碍了E1-E2相互作用，从而减弱了ATG8向ATG3的转移以及后续的自噬流。因此，无法在K140位点修饰ATG7的细胞表现出增强的自噬活性。

总之，作者提出了一个新模型，其中ATG7扮演双重角色：它既是蛋白质ATG8化的核心催化剂，又是其自身酶活性通过修饰得以调控的关键底物。这种自我调节机制为作者理解自噬调控增添了新的视角。作者的研究将蛋白质ATG8化提升至一个关键的调控过程，并为探索其在生理和疾病中的作用开辟了新前沿。

原文链接：https://doi.org/10.1080/15548627.2025.2609929