糖原作為哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存葡萄糖的主要形式，是細(xì)胞內(nèi)最重要的供能物質(zhì)之一。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，糖原的分解代謝主要包括兩條不同的途徑：（1）胞質(zhì)糖酵解過(guò)程；（2）溶酶體依賴(lài)的糖原自噬過(guò)程（glycophagy）。糖原的分解代謝對(duì)于維持血糖平衡、細(xì)胞能量供給至關(guān)重要，其異常與眾多的人類(lèi)疾病密切相關(guān)，例如龐貝氏癥（Pompe’s Disease）。龐貝氏癥是一種由于溶酶體酸性葡萄糖苷酶功能缺陷導(dǎo)致糖原在溶酶體中異常累積的糖原累積病，其發(fā)生進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了糖原自噬過(guò)程的重要性。STBD1是哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)目前唯一已知的參與糖原選擇性自噬的自噬受體蛋白，但是目前對(duì)于STBD1如何選擇性地識(shí)別糖原以及如何介導(dǎo)糖原自噬的具體分子機(jī)制仍然未知。

近日，潘李鋒課題組與俞飚課題組合作，在美國(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表了題為 “Decoding the molecular mechanism of selective autophagy of glycogen mediated by autophagy receptor STBD1”的研究論文（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402817121）。該團(tuán)隊(duì)首先利用凝膠共遷移、分析型超速離心技術(shù)、核磁共振等多種實(shí)驗(yàn)方法，詳細(xì)研究了自噬受體蛋白STBD1與糖原等相關(guān)糖類(lèi)分子之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)STBD1的CBM20結(jié)構(gòu)域可以直接結(jié)合糖原、麥芽糖等糖類(lèi)分子。隨后，利用X射線單晶衍射技術(shù)，首次解析了STBD1 CBM20結(jié)構(gòu)域結(jié)合麥芽四糖的高分辨復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)STBD1的CBM20結(jié)構(gòu)域具有兩個(gè)葡聚多糖的結(jié)合位點(diǎn)。除了經(jīng)典的葡聚多糖的結(jié)合位點(diǎn)外，STBD1的CBM結(jié)構(gòu)域還含有一個(gè)非常特殊的葡聚多糖的結(jié)合位點(diǎn)。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)建模和突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)，STBD1的CBM結(jié)構(gòu)域可以通過(guò)這種雙位點(diǎn)的作用模式同時(shí)結(jié)合由α-1,6-葡萄糖苷鍵連接的分支葡聚糖中的兩條不同的線性葡聚糖鏈，進(jìn)而選擇性地識(shí)別糖原。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)也詳細(xì)研究了STBD1與六個(gè)人源ATG8家族蛋白之間的相互作用，并發(fā)現(xiàn)STBD1可以通過(guò)其LIR基序選擇性地識(shí)別六個(gè)人源ATG8家族蛋白。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了STBD1的 LIR基序結(jié)合ATG8家族蛋白GABARAPL1的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡明了STBD1選擇性識(shí)別ATG8家族蛋白的分子機(jī)制，并通過(guò)相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明STBD1可以在細(xì)胞內(nèi)協(xié)同結(jié)合糖原和GABARAPL1。后續(xù)，基于氨基酸序列的比對(duì)分析和質(zhì)譜鑒定，該團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)STBD1的LIR模序可以作為FIR模序直接結(jié)合自噬起始ULK復(fù)合物亞基RB1CC1的Claw結(jié)構(gòu)域，并通過(guò)多種生化實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)建模等方法揭示了STBD1的LIR模序結(jié)合RB1CC1的Claw結(jié)構(gòu)域的具體作用模式，進(jìn)而系統(tǒng)闡明了STBD1招募RB1CC1的分子機(jī)制。此外，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)證實(shí)了RB1CC1和GABARAPL1會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合STBD1的LIR模序。

圖1. STBD1結(jié)合糖類(lèi)、ATG8家族蛋白和RB1CC1的分子機(jī)制

綜上所述，該研究工作首次揭示了自噬受體蛋白STBD1通過(guò)雙位點(diǎn)模式選擇性識(shí)別糖原的分子機(jī)制。同時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)STBD1可通過(guò)其LIR 模序直接結(jié)合自噬起始關(guān)鍵因子RB1CC1，并詳細(xì)揭示了STBD1通過(guò)LIR模序招募自噬起始ULK復(fù)合物和ATG8家族蛋白的分子機(jī)制和相互之間的關(guān)系。總之，該研究工作從生化和結(jié)構(gòu)角度系統(tǒng)地闡明STBD1了識(shí)別糖原以及招募RB1CC1和ATG8家族蛋白的分子機(jī)制，擴(kuò)展了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于自噬受體蛋白STBD1介導(dǎo)糖原自噬過(guò)程的分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

圖2. 糖原自噬中STBD1識(shí)別糖原并招募ULK復(fù)合物、ATG8家族蛋白的模型示意圖

中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所已畢業(yè)的博士生張玉超和上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的孫一珊同學(xué)為本文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的潘李鋒研究員和俞飚研究員為本文的共同通訊作者。上述研究工作得到上海蛋白質(zhì)中心質(zhì)譜團(tuán)隊(duì)和日本德島大學(xué)Otto Baba教授的大力支持，同時(shí)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和生命過(guò)程小分子調(diào)控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。