癌癥突變影響自噬選擇性的作用機制

　　細胞自噬（Autophagy）是重要的生物學過程，通過形成雙層膜結構的自噬體，將包裹在其中的胞質內容物投遞到溶酶體中，從而降解損壞的細胞器、錯誤折疊的蛋白質、聚集體和病原體等。2016年日本著名生物學家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）教授因“細胞自噬機制的發現”獲頒諾貝爾生理學或醫學獎（【BioArt深度】“自噬”獲諾獎為何只授予大隅良典？——梳理自噬領域重大發現歷程）。自噬有非選擇性和選擇性之分。根據胞質內容物的類型進行劃分，目前已發現超過20種不同類型的選擇性自噬，如糖原自噬（Glycophagy）、線粒體自噬（Mitophagy）和脂類自噬（Lipophagy）等。自噬的選擇性由自噬受體決定，許多自噬受體的蛋白質序列中包含LC3結合區域（LC3-interacting region, LIR），從而能夠與定位在自噬體上的LC3蛋白結合，將胞質內容物轉運到自噬體中。研究表明，自噬選擇性異常與人類重大疾病如癌癥高度相關，但導致自噬選擇性異常的原因，及其如何參與人類癌癥發生發展的機制仍有待研究。

　　近日，四川大學賈大教授團隊與華中科技大學薛宇教授團隊在Nature Communications在線發表了合作研究的新成果，論文題為Model-based analysis uncovers mutations altering autophagy selectivity in human cancer。在該工作中，兩個團隊整合公共數據庫中已知的人類癌癥突變數據，利用機器學習技術設計了LIR基序預測算法，構建了基于模型分析的LIR相關突變推斷算法，結合多組學泛癌分析和體內、體外等實驗方法，聯合開發了一種全新的研究策略“癌癥相關LC3結合蛋白推斷”（inference of cancer-associated LC3-interacting region-containing proteins, iCAL），系統預測了148個蛋白質中222個改變LIR基序的相關突變。

　　根據預測，實驗證實突變通過影響多個自噬相關蛋白如ATG4B、STBD1、EHMT2和BRAF的LIR基序改變自噬的選擇性。泛癌分析表明糖原自噬受體STBD1可能具有潛在的抑癌功能，結腸癌臨床樣本的免疫組化結果也發現STBD1在癌癥組織中表達下調。進一步研究表明STBD1的W203C突變通過破壞其LIR基序，削弱STBD1與LC3家族成員GABARAPL1和糖原的細胞共定位，并抑制胞內的糖原自噬和代謝過程。細胞增殖和小鼠移植瘤實驗表明，過表達STBD1顯著抑制癌細胞生長，而過表達突變體STBD1 W203C或敲低STBD1則促進腫瘤增殖。轉錄組測序分析表明，敲減或W203C突變導致癌癥細胞的代謝重編程，結合靶向代謝組和代謝流分析發現敲減STBD1促進腫瘤細胞的糖酵解（Glycolysis），增強三羧酸循環與核酸代謝，從而促進腫瘤增殖。最后，根據iCAL預測的148個蛋白質，模擬了聯接自噬選擇性和腫瘤發生的分子網絡，推測突變可通過影響9種自噬相關通路參與調控癌癥。

　　本工作通過系統預測改變LIR基序的相關突變，揭示了癌癥突變影響自噬選擇性的作用機制，發現W203C通過改變STBD1的LIR基序，抑制糖原自噬和代謝過程從而促進腫瘤生長，首次闡明了糖原自噬參與癌癥調控的分子機制，并為相關靶向癌癥的自噬選擇性調控研究和臨床實踐提供了新的計算方法和參考數據。

　　據悉，四川大學的研究生韓珠和華中科技大學的研究生張瑋之為該論文的共同第一作者，共同通訊作者為薛宇教授和賈大教授。四川大學的陳路教授、清華大學代謝組學平臺劉曉蕙博士等也為課題提供了大力支持。