內質網表面鈣瞬變是多細胞生物自噬起始的關鍵信號

　　自噬是指通過形成雙層膜結構的自噬體，包裹部分胞質并運送到溶酶體進行降解及回收的過程，對抵抗各種應激和維持細胞穩態至關重要。自噬異與老年癡呆等神經退行性疾病的發生發展密切相關。自噬體形成的關鍵步驟包括隔離膜（自噬體前體）的啟始、成核、延伸及閉合。科學家對自噬體形成的分子機制的了解主要來自對單細胞酵母自噬的研究。多細胞生物自噬體的形成過程更加復雜，包括多個獨特的步驟以及多細胞生物特有的自噬蛋白的參與。

　　多細胞生物自噬與酵母自噬的重要區別之一在于自噬體形成的位置。酵母自噬體在液泡膜上形成，而多細胞生物自噬體在內質網的多個位點同時形成。鑒定決定自噬體在內質網上形成的信號是自噬領域懸而未決的科學問題。

　　10月5日，中國科學院生物物理研究所研究員張宏課題組在《細胞》（Cell）上，在線發表了題為Calcium transients on the ER surface trigger liquid-liquid phase separation of FIP200 to specify autophagosome initiation sites的研究論文。該研究發現自噬誘導條件下引起的內質網表面的鈣瞬變是決定自噬體在內質網上形成的關鍵信號。內質網表面的鈣瞬變引起參與自噬起始的FIP200復合物發生液-液相分離；形成的FIP200凝聚體進而與內質網膜蛋白VAPs和ATLs結合定位于內質網，成為自噬體起始位點。

　　研究顯示，鈣離子快速螯合劑BAPTA-AM可以抑制參與自噬起始的FIP200復合物在內質網上形成凝聚體，但這一過程不能被慢速鈣離子螯合劑EGTA-AM阻斷。這提示快速的局部的鈣離子變化而非穩態的鈣離子濃度變化，可能參與自噬起始過程。科研人員構建了內質網跨膜結構域CYB5與快速鈣離子探針GCaMP6f的融合蛋白，將GCaMP6f定位于內質網膜表面朝向胞漿側，以檢測自噬誘導下內質網膜表面鈣離子濃度的變化。研究利用多模態超分辨活細胞成像技術（Multi-SIM）發現，在饑餓或Torin1處理等自噬誘導條件下，內質網表面發生鈣瞬變/鈣振蕩，而這些鈣信號能被BAPTA-AM阻斷卻不能被EGTA-AM阻斷。

　　研究發現抑制內質網表面鈣瞬變/鈣振蕩會阻礙自噬體形成。鈣離子通道釋放抑制劑以及鈣通道蛋白敲低的細胞中，自噬起始FIP200復合物在內質網上形成凝聚體被顯著抑制，這表明內質網表面鈣瞬變對自噬體的形成頗為重要。自噬誘導條件下，內質網表面的鈣瞬變/鈣振蕩是被精細調控的。在鈣離子通道激活劑處理下，內質網表面的鈣瞬變/鈣振蕩的幅值、頻率和持續時間顯著增加。FIP200凝聚體以及WIPI2等標記的早期自噬結構的數目顯著增加，但自噬流活性卻被抑制，這表明鈣離子通道激活劑的處理抑制有功能性的自噬體結構的形成。電鏡觀測發現，這些自噬結構顯著變小且不能閉合，提示內質網表面鈣的持續增高影響自噬體的延伸及閉合過程。

　　張宏課題組前期利用建立的線蟲遺傳篩選模型鑒定了一系列多細胞生物特有自噬基因，包括編碼內質網跨膜蛋白的epg-4/EI24。本研究發現敲除EI24的細胞，表現出與鈣離子通道激活劑處理類似的現象，內質網表面出現持續的鈣振蕩，并表現出類似的自噬缺陷。研究通過化學試劑處理，或敲低內質網表面鈣通道的活性，可以降低EI24敲除引起的鈣瞬變，并拯救其自噬缺陷的表型。EI24可以與多種內質網鈣通道和鈣泵結合。這提示EI24可以通過調節內質網鈣通道和鈣泵的活性，進而調控內質網表面鈣瞬變的幅度、頻率和持續時間。

　　內質網表面鈣瞬變/鈣振蕩是如何決定參與自噬起始的FIP200復合物在內質網上組裝？研究發現，自噬誘導條件下，內質網表面發生的鈣瞬變/鈣振蕩觸發FIP200復合物發生液-液相分離，形成具有高度動態且易于融合的液滴狀FIP200凝聚體。FIP200凝聚體通過與內質網膜蛋白VAPs和ATLs結合，穩定定位于內質網上，并沿著內質網移動，與其他FIP200凝聚體融合。在達到一定大小后，FIP200凝聚體停止融合，成為內質網上的自噬體起始位點，招募下游自噬蛋白，啟動自噬體的形成。該研究揭示了內質網表面鈣瞬變是決定自噬體在內質網上形成的關鍵信號，促進了科學家對多細胞生物自噬分子機制的理解，并對探究自噬異常與相關疾病的發生發展以及開發新的治療策略有重要意義。

　　研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃的資助，并獲得生物物理所成像平臺的技術支持。