撰文 | 阿童木
自噬（Autophagy）是一種細胞內的自我清理過程，能夠通過分解和回收細胞內部的損壞或不需要的細胞器、蛋白質、核酸等分子來維持細胞的健康和功能。線粒體和內質網（ER）等細胞器都是自噬的重要目標，可以通過選擇性自噬機制被細胞特異性地降解。
線粒體的選擇性自噬（mitophagy）依賴於一系列蛋白質，包括PINK1和泛素連接酶Parkin【1】。PINK1可以檢測損傷的線粒體並將Parkin招募到線粒體表面，而Parkin可以通過泛素化標記線粒體組分以便降解。內質網自噬（ER-phagy）也需要特定的自噬受體來介導ER進入自噬體，目前人們對mitophagy調控機制的了解比ER-phagy更加清晰【2】。目前已探明ER-phagy的發生也依賴於特異的受體蛋白（如RTN3、ATL3等），這些受體可以識別需要清除的ER，並與自噬相關蛋白結合以促進自噬體對ER的特異性吞噬【3, 4】。儘管mitophagy和ER-phagy都有各自特異的調控機制，但二者間是否存在內在的協調機制尚不清楚，尤其是在細胞內二者同時發生的狀態下，細胞的自噬決策機制如何，仍有待研究。
發育中的果蠅腸道是研究細胞器選擇性自噬的良好模型，類固醇的增加會觸發果蠅從幼蟲到預蛹的發育，並誘導前中腸腸上皮細胞的自噬，這種自噬是腸上皮細胞特有的，是細胞尺寸減小所必需的。線粒體以自噬基因（Atg）依賴性方式從腸上皮細胞中清除，然而尚不清楚ER是否是通過腸上皮細胞中的自噬反應選擇性清除的。
近日，馬薩諸塞大學Eric H. Baehrecke實驗室在Cell雜誌發表了題為PINK1, Keap1, and Rtnl1 regulate selective clearance of endoplasmic reticulum during development的研究文章，該研究利用果蠅發育過程中會同時發生線粒體和內質網自噬的腸上皮細胞模型，發現Pink1能通過作用於不同的泛素連接酶Parkin和Keap1，激活泛素化降解通路，平衡和調控線粒體自噬和內質網自噬，本研究揭示了細胞協調細胞器選擇性自噬的新機制。
為明確果蠅發育過程是否會發生ER-phagy，作者觀察了果蠅蛹殼形成2小時後腸上皮細胞的TEM結構，發現此時自噬體中含有粗麵ER，而Atg8a的突變腸腸上皮細胞表現出自噬體結構減少，並具有大量擴張的ER結構（圖1），這與ER-phagy受體缺陷型哺乳動物細胞中觀察到的ER形態一致【4】，抑制自噬會導致ER的清除受到抑制。
圖1 自噬基因突變會導致細胞內ER清除發生異常
那麼，果蠅腸上皮細胞中ER的清除是否具有選擇性呢？作者首先發現果蠅ER-phagy受體（Atl,Rtnl11和Trp1）突變會導致細胞中ER增多，且Atl, Rtnl11和Trp1均與Atg8a直接互作，自噬基因突變會導致ER-phagy受體的清除出現異常。其次，之前發現參與mitophagy的受體蛋白Vps13D（以及Atg16等）也能調控ER-phagy，即mitophagy和ER-phagy受同一條上游自噬通路的調控，但抑制ER-phagy受體基因的表達並不會影響mitophagy。第三，抑制mitophagy受體BNIP3表達會抑制mitophagy水平但同時會導致ER-phagy活性上升。因此，果蠅腸上皮細胞中細胞器的選擇性清除需要共同的上游自噬基因調控，但潛在作用於不同的下游自噬受體。
Vps13D上游激酶PINK1定位於線粒體並線上粒體上激活，調節泛素的磷酸化，並通過作用於E3泛素連接酶Parkin而影響多種線粒體相關蛋白的泛素化【5, 6】。作者發現抑制PINK1表達會導致ER-phagy活性下降，磷酸化泛素水平降低。此外，PINK1突變會導致Rtnl1蛋白表達降低，但Atl表達上升，即PINK1能通過調控ER-phagy受體的活性而影響ER-phagy。有趣的是，PINK1下游的Parkin在通過自噬通路調節ER清除方面具有與PINK1相反的表型，且Parkin突變會導致Rtnl1表達上升，而Atl表達未發生明顯變化。與同時含有ER自噬體和線粒體自噬體的正常腸上皮細胞相比，PINK1突變細胞的ER自噬體和自溶酶體（autolysosomes）減少，而Parkin突變腸細胞的ER自噬體水平與對照腸細胞相似。由此可見，PINK1和Parkin對不同ER-phagy受體的調控方式存在差異，從而導致了其對ER清除的影響截然不同。
基於上述結果，作者推測PINK1下游可能存在一個不同於Parkin的泛素連接酶，選擇性地調控了ER-phagy。Keap1是Cul3-Rbx1 E3泛素連接酶複合物的底物銜接蛋白，能夠作用於底物蛋白P62而調控自噬。作者據此探究了Keap1作為ER-phagy調控因子的可能性。結果表明，Keap1或Cul3突變都會導致細胞內ER水平上升，ER-phagy受到抑制，且Keap1突變會導致mitophagy活性增強。與PINK1突變體類似，Keap1突變的腸上皮細胞Rtnl1表達降低，PINK1能夠影響Keap1線上粒體的定位和表達。雖然Parkin不會影響Keap1線上粒體的定位，但Parkin突變的腸上皮細胞中Keap1與磷酸化泛素的共定位增強，暗示了ER-phagy活性的上調。
究其機制，作者發現PINK1或Keap1突變會導致Rtnl1泛素化降低，而Parkin突變會誘導Rtnl1的泛素化，即PINK1和Keap1是ER-phagy受體Rtnl1泛素化所必需的，而Parkin負向調節Rtnl1的泛素化。因此，PINK1能夠通過作用於下游不同的泛素連接酶調節ER和線粒體的選擇性清除——Keap1負責ER-phagy，Parkin負責mitophagy。
綜上所述，本研究發現線粒體自噬激酶PINK1不僅可以通過作用於Parkin驅動線粒體降解（mitophagy），還可以通過影響Keap1介導的泛素化過程而調節內質網的選擇性清除（ER-phagy）。本研究揭示了細胞能夠利用自噬反應選擇性地清除細胞內不同的細胞器，這一過程既需要依賴普適的上游自噬調節因子，又需要下游特異性的自噬受體的協同作用。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.008
製版人：十一
參考文獻
1. Pickles, S., et al. (2018). Mitophagy and quality control mechanisms in mitochondrial maintenance.Current Biology28: R170–R185.
2. Hubner, C.A., and Dikic, I. (2020). ER-phagy and human diseases.Cell Death Differ.27: 833–842.
3. Mochida, K., et al. (2015). Receptor-mediated selective autophagy de- grades the endoplasmic reticulum and the nucleus.Nature522: 359–362.
4. Khaminets, Aliaksandr, et al. (2015). Regulation of endoplasmic reticulum turnover by selective autophagy.Nature522.7556: 354-358.
5. Koyano, Fumika, et al. (2014). Ubiquitin is phosphorylated by PINK1 to activate parkin.Nature510.7503: 162-166.
6. Lazarou, Michael, et al. (2015) The ubiquitin kinase PINK1 recruits autophagy receptors to induce mitophagy.Nature524.7565: 309-314.