撰文 | 阿童木
自噬（Autophagy）是一种细胞内的自我清理过程，能够通过分解和回收细胞内部的损坏或不需要的细胞器、蛋白质、核酸等分子来维持细胞的健康和功能。线粒体和内质网（ER）等细胞器都是自噬的重要目标，可以通过选择性自噬机制被细胞特异性地降解。
线粒体的选择性自噬（mitophagy）依赖于一系列蛋白质，包括PINK1和泛素连接酶Parkin【1】。PINK1可以检测损伤的线粒体并将Parkin招募到线粒体表面，而Parkin可以通过泛素化标记线粒体组分以便降解。内质网自噬（ER-phagy）也需要特定的自噬受体来介导ER进入自噬体，目前人们对mitophagy调控机制的了解比ER-phagy更加清晰【2】。目前已探明ER-phagy的发生也依赖于特异的受体蛋白（如RTN3、ATL3等），这些受体可以识别需要清除的ER，并与自噬相关蛋白结合以促进自噬体对ER的特异性吞噬【3, 4】。尽管mitophagy和ER-phagy都有各自特异的调控机制，但二者间是否存在内在的协调机制尚不清楚，尤其是在细胞内二者同时发生的状态下，细胞的自噬决策机制如何，仍有待研究。
发育中的果蝇肠道是研究细胞器选择性自噬的良好模型，类固醇的增加会触发果蝇从幼虫到预蛹的发育，并诱导前中肠肠上皮细胞的自噬，这种自噬是肠上皮细胞特有的，是细胞尺寸减小所必需的。线粒体以自噬基因（Atg）依赖性方式从肠上皮细胞中清除，然而尚不清楚ER是否是通过肠上皮细胞中的自噬反应选择性清除的。
近日，马萨诸塞大学Eric H. Baehrecke实验室在Cell杂志发表了题为PINK1, Keap1, and Rtnl1 regulate selective clearance of endoplasmic reticulum during development的研究文章，该研究利用果蝇发育过程中会同时发生线粒体和内质网自噬的肠上皮细胞模型，发现Pink1能通过作用于不同的泛素连接酶Parkin和Keap1，激活泛素化降解通路，平衡和调控线粒体自噬和内质网自噬，本研究揭示了细胞协调细胞器选择性自噬的新机制。
为明确果蝇发育过程是否会发生ER-phagy，作者观察了果蝇蛹壳形成2小时后肠上皮细胞的TEM结构，发现此时自噬体中含有粗面ER，而Atg8a的突变肠肠上皮细胞表现出自噬体结构减少，并具有大量扩张的ER结构（图1），这与ER-phagy受体缺陷型哺乳动物细胞中观察到的ER形态一致【4】，抑制自噬会导致ER的清除受到抑制。
图1 自噬基因突变会导致细胞内ER清除发生异常
那么，果蝇肠上皮细胞中ER的清除是否具有选择性呢？作者首先发现果蝇ER-phagy受体（Atl, Rtnl11和Trp1）突变会导致细胞中ER增多，且Atl, Rtnl11和Trp1均与Atg8a直接互作，自噬基因突变会导致ER-phagy受体的清除出现异常。其次，之前发现参与mitophagy的受体蛋白Vps13D（以及Atg16等）也能调控ER-phagy，即mitophagy和ER-phagy受同一条上游自噬通路的调控，但抑制ER-phagy受体基因的表达并不会影响mitophagy。第三，抑制mitophagy受体BNIP3表达会抑制mitophagy水平但同时会导致ER-phagy活性上升。因此，果蝇肠上皮细胞中细胞器的选择性清除需要共同的上游自噬基因调控，但潜在作用于不同的下游自噬受体。
Vps13D上游激酶PINK1定位于线粒体并在线粒体上激活，调节泛素的磷酸化，并通过作用于E3泛素连接酶Parkin而影响多种线粒体相关蛋白的泛素化【5, 6】。作者发现抑制PINK1表达会导致ER-phagy活性下降，磷酸化泛素水平降低。此外，PINK1突变会导致Rtnl1蛋白表达降低，但Atl表达上升，即PINK1能通过调控ER-phagy受体的活性而影响ER-phagy。有趣的是，PINK1下游的Parkin在通过自噬通路调节ER清除方面具有与PINK1相反的表型，且Parkin突变会导致Rtnl1表达上升，而Atl表达未发生明显变化。与同时含有ER自噬体和线粒体自噬体的正常肠上皮细胞相比，PINK1突变细胞的ER自噬体和自溶酶体（autolysosomes）减少，而Parkin突变肠细胞的ER自噬体水平与对照肠细胞相似。由此可见，PINK1和Parkin对不同ER-phagy受体的调控方式存在差异，从而导致了其对ER清除的影响截然不同。
基于上述结果，作者推测PINK1下游可能存在一个不同于Parkin的泛素连接酶，选择性地调控了ER-phagy。Keap1是Cul3-Rbx1 E3泛素连接酶复合物的底物衔接蛋白，能够作用于底物蛋白P62而调控自噬。作者据此探究了Keap1作为ER-phagy调控因子的可能性。结果表明，Keap1或Cul3突变都会导致细胞内ER水平上升，ER-phagy受到抑制，且Keap1突变会导致mitophagy活性增强。与PINK1突变体类似，Keap1突变的肠上皮细胞Rtnl1表达降低，PINK1能够影响Keap1在线粒体的定位和表达。虽然Parkin不会影响Keap1在线粒体的定位，但Parkin突变的肠上皮细胞中Keap1与磷酸化泛素的共定位增强，暗示了ER-phagy活性的上调。
究其机制，作者发现PINK1或Keap1突变会导致Rtnl1泛素化降低，而Parkin突变会诱导Rtnl1的泛素化，即PINK1和Keap1是ER-phagy受体Rtnl1泛素化所必需的，而Parkin负向调节Rtnl1的泛素化。因此，PINK1能够通过作用于下游不同的泛素连接酶调节ER和线粒体的选择性清除——Keap1负责ER-phagy，Parkin负责mitophagy。
综上所述，本研究发现线粒体自噬激酶PINK1不仅可以通过作用于Parkin驱动线粒体降解（mitophagy），还可以通过影响Keap1介导的泛素化过程而调节内质网的选择性清除（ER-phagy）。本研究揭示了细胞能够利用自噬反应选择性地清除细胞内不同的细胞器，这一过程既需要依赖普适的上游自噬调节因子，又需要下游特异性的自噬受体的协同作用。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.08.008
制版人：十一
参考文献
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.
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