撰文 | 春曉
內質網的穩態重塑通過一種叫做ER-phagy，即內質網自噬的過程進行調控，內質網自噬受體在這個過程中發揮核心作用【1】，但這其中的調節機制還不清楚。FAM134B是一種形成內質網膜的哺乳動物網狀蛋白，也是一種內質網自噬受體【2】，在常染色體隱性遺傳性感覺和自主神經病變患者中存在FAM134B功能缺失突變【3】，這種疾病的患者感覺麻木、無法感覺到疼痛，因此會遭受嚴重的組織損傷。
FAM134B在哺乳動物中如何調節內質網自噬？FAM134B又如何導致了感覺神經的神經退行性病變？近日，來自德國法蘭克福歌德大學的Ivan Dikić研究小組在Nature雜誌上發表了2篇研究論文，一篇題為Ubiquitination regulates ER-phagy and remodelling of endoplasmic reticulum，另一篇和德國耶拿大學附屬醫院的Christian A. Hübner研究小組合作（共同第一作者為Hector Foronda和傅陽雪），題為Heteromeric clusters of ubiquitinated ER-shaping proteins drive ER-phagy，這2篇文章證明泛素化能夠增強內質網自噬受體的功能，促進內質網自噬並調節內質網的重構，並在神經退行性病變模型中證實了泛素化在內質網自噬及其重構調控中的關鍵作用。
由於泛素化作為經典的蛋白質翻譯後修飾，調控了大量的細胞過程，因此，作者繪製了FAM134B的泛素化圖譜，以研究泛素化在內質網自噬中的潛在作用，找到K90、K160、K264和K247為主要泛素化位點，都位於FAM134B網狀同源結構域RHD內，FAM134B RHD的泛素化促進了參與內質網自噬的FAM134B低聚物的形成，並且使得FAM134B與LC3B結合，刺激內質網自噬。
分子動力學模擬顯示泛素化RHD蛋白的膜重塑活性顯著增強，RHD上的泛素分子介導相鄰RHD之間的相互作用，穩定了RHD，促進了FAM138B誘導的內質網膜形變，形成密集的受體簇，促進膜的大規模重塑。FAM138B RHD的泛素化導致胞內產生了更大的內質網自噬體結構，產生了多聚體內質網自噬簇，使用超解析度顯微鏡結合定量圖像分析，可以看到泛素化增加了FAM134B的寡聚化。
泛素化的發生都需要E3泛素連接酶這個小夥伴的催化助攻，在FAM138B的泛素化過程中，錨定在內質網的E3連接酶AMFR就是這位功不可沒的小夥伴，實現了FAM138B介導的內質網自噬進行了動態調節。
圖1：泛素化調節內質網自噬和內質網重構
簡言之，Ubiquitination regulates ER-phagy and remodelling of endoplasmic reticulum這篇文章論證了泛素化通過受體聚集增強RHD功能，促進內質網自噬，並調節內質網重塑以響應細胞需求。同期的背靠背論文Heteromeric clusters of ubiquitinated ER-shaping proteins drive ER-phagy更多關注到內質網自噬中神經經退行性病變的問題。
為了解釋內質網自噬中神經退行性病變的問題，作者研究了一名SPG61患者的成纖維細胞，這位患者攜帶了純合羧基末端移碼突變ARL6IP1c.577–580delAAAC，ARL6IP1也是一個內質網膜形成蛋白，同樣包含了網狀同源結構域，與感知喪失有關，那麼它是否可以和上文說到的FAM134B擦出火花？
作者繁殖了ARL6IP1-KO小鼠來模擬ARL6IP1-相關疾病，通過定量PCR結合免疫印跡、步態分析、上肢抓力、電生理、神經超微結構等多項評估證明了小鼠存在神經元的退化，接下來的ARL6IP1和FAM134B體內相作實驗證明ARL6IP1和FAM134B的異源複合物是內質網自噬受體簇的一部分。
由於AMFR介導了FAM134B的泛素化，因此作者認為泛素化也可能參與ARL6IP1的調節，實驗也證實了在FAM134B存在的情況下，大量的ARL6IPl被泛素化，分子動力學模擬可以看到泛素化導致構象更為緊密，促進了LC3B和FAM134B的結合，因此，AMFR對ARL6IP1和FAM134B的RHD的泛素化可能參與內質網自噬過程中的內質網重塑。缺乏ARL6IP1的情況下，FAM134B介導的內質網自噬受損、內質網膜重塑受損，因此，FAM134B介導的內質網自噬需要ARL6IP1的泛素化的協助，泛素化內質網形成蛋白的蛋白簇有利於內質網自噬過程中的內質網動態重塑，在神經元的維持過程中發揮重要的作用。
圖2: ARL6IP1-FAM134B共同調控內質網自噬
這兩篇文章揭示了泛素化在FAM134B構象變化中的重要作用，泛素化是驅動內質網膜重塑和內質網自噬的重要修飾，內質網自噬還包括其他含有RHD的蛋白質例如ARL6IP1，ARL6IP1的缺失導致內質網自噬嚴重受損、細胞適應性顯著降低，ARL6IP1本身並非內質網自噬受體，但它是FAM134B介導的內質網自噬所必需的。這兩篇文章揭示了一個新的機制：內質網自噬是由泛素依賴的異源性內質網吞噬受體複合物所調控的。FAM134B或ARL6IP1受損後，內質網自噬受損，錯誤摺疊或聚集蛋白在內質網內積累導致蛋白穩定受損和神經退行性病變。泛素化對內質網膜形成蛋白的修飾調節可能是一個普遍的原理，這兩項研究為未來更好的了解多種疾病中的內質網動力學打開了新思路。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06090-9
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06089-2
製版人：十一
參考文獻
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2. Khaminets, A. et al. Regulation of endoplasmic reticulum turnover by selective autophagy.Nature522, 354–358 (2015).
3. Kurth, I. et al. Mutations in FAM134B, encoding a newly identified Golgi protein, cause severe sensory and autonomic neuropathy.Nat. Genet.41, 1179–1181 (2009).
