周慶華/李建雙合作課題組揭示線粒體核酸內切酶ENDOG促進細胞自噬的分子機制

發布單位:機構人員彙總 [2021-01-21 00:00:00] 打印此信息

线粒体核酸内切酶Endonuclease G(ENDOG)是由核基因编码,主要定位于线粒体膜间隙,少量存在于细胞质和细胞核的蛋白质。前期的研究发现,ENDOG在细胞凋亡过程中,从线粒体释放,进入细胞核进行染色质DNA的切割,促进细胞凋亡[1, 2]。此外,ENDOG还在细胞增殖[3]、DNA重组[4]、线粒体DNA合成[5]以及细胞应对氧化应激过程中起到重要作用[6]。研究发现,ENDOG也参与了多种疾病的发生和发展过程中,如帕金森症[7]、心肌肥大[8]等。

本研究的通訊作者周慶華在先前工作發現,在秀麗隱杆線蟲受精成功之後,父系線粒體中的ENDOG會從線粒體膜間隙釋放到線粒體基質中,並介導父系線粒體DNA的降解,最終通過母系自噬溶酶體及蛋白酶體降解途徑來清除父系線粒體,系統的解釋了父系線粒體進入卵細胞後被選擇性清除的分子機制[9]。然而ENDOG是否參與細胞自噬及其具體分子機制並不清楚。

在此工作基础上,周庆华/李建双合作课题组进一步研究发现ENDOG能促进细胞自噬流,并且在人源细胞、小鼠、果蝇及线虫等多个物种中是保守的。深入探讨其中机制发现,一方面ENDOG可以通过其磷酸化增强与14-3-3γ的相互作用,从而抑制mTOR信号通路来促进细胞自噬;另一方面ENDOG通过其核酸内切酶活性介导的DNA损伤应答来促进细胞自噬。相关工作与2021年1月20日发表在Nature Communications,题为:Endonuclease G promotes autophagy by suppressing mTOR signaling and activating the DNA damage response

作者首先利用CRISPR/CAS9系统构建了ENDOG敲除细胞系,通过双荧光标记质粒(mCherry-GFP-LC3)检测自噬流、电子显微镜观察细胞中自噬小体和自噬溶酶体、及其他细胞自噬标志物检测等实验证实ENDOG敲除后抑制细胞自噬流;然后在ENDOG敲除小鼠肝脏、ENDOG缺失突变线虫的缝线细胞(Seam cell)和咽部肌肉细胞、ENDOG-siRNA干扰的果蝇脂肪体细胞(类似人肝脏细胞)中自噬小体均显著性减少,说明ENDOG促进细胞自噬在多个物种中保守。

图1. ENDOG在多个物种中促进细胞自噬

進一步分子機制研究發現,在細胞處于饑餓刺激時,Caspase8-Bid被激活,促進ENDOG從線粒體釋放出來。釋放到細胞質的ENDOG一方面被GSK-3b磷酸化,加強ENDOG與14-3-3g,從而將TSC2和Vps34釋放出來;釋放出來的TSC2和Vps34通過抑制mTOR信號通路和促進細胞自噬起始一起達到促進細胞自噬的作用。另一方面,細胞質中的ENDOG可以進入細胞核,對DNA進行片段化,引起DNA損傷並促進細胞自噬,且這一過程是依賴于ENDOG的核酸內切酶活性的。

图2. ENDOG调控细胞自噬的分子机制示意图

暨南大學附属第一医院王文君博士后为第一作者,暨南大學生物医学转化研究院/附属珠海医院李建双副研究员为本文的共同第一作者,暨南大學生物医学转化研究院/附属第一医院周庆华教授为本文通讯作者。

1. Li, L.Y., X. Luo, and X. Wang, Endonuclease G is an apoptotic DNase when released from mitochondria.Nature, 2001. 412(6842): p. 95-9.

2. Parrish, J., et al., Mitochondrial endonuclease G is important for apoptosis in C. elegans.Nature, 2001. 412(6842): p. 90-4.

3. Huang, K.J., C.C. Ku, and I.R. Lehman, Endonuclease G: a role for the enzyme in recombination and cellular proliferation.Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(24): p. 8995-9000.

4. Zan, H., et al., Endonuclease G plays a role in immunoglobulin class switch DNA recombination by introducing double-strand breaks in switch regions.Mol Immunol, 2011. 48(4): p. 610-22.

5. Cote, J. and A. Ruiz-Carrillo, Primers for mitochondrial DNA replication generated by endonuclease G.Science, 1993. 261(5122): p. 765-9.

6. Lin, J.L.J., et al., Oxidative Stress Impairs Cell Death by Repressing the Nuclease Activity of Mitochondrial Endonuclease G.Cell Rep, 2016. 16(2): p. 279-287.

7. Buttner, S., et al., Endonuclease G mediates alpha-synuclein cytotoxicity during Parkinson's disease.EMBO J, 2013. 32(23): p. 3041-54.

8. McDermott-Roe, C., et al., Endonuclease G is a novel determinant of cardiac hypertrophy and mitochondrial function.Nature, 2011. 478(7367): p. 114-8.

9. Zhou, Q., et al., Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization.Science, 2016. 353(6297): p. 394-9.

(生物醫學轉化研究院)

責編:李梅