浙大刘伟组再发Mol Cell丨揭示调控自噬起始和脂质生成的新通路

10月12日，Molecular Cell杂志在线发表来自浙江大学医学院刘伟教授课题组题为“mTORC1 Phosphorylates Acetyltransferase p300 to Regulate Autophagy and Lipogenesis”的研究论文，该研究发现调控细胞生长和代谢的重要蛋白复合物mTORC1通过磷酸化p300，解除p300的分子内抑制作用（Intra-molecular inhibition），促进p300的激活。功能研究发现，mTORC1-p300通路在自噬起始和脂质生成的过程中发挥重要调控作用，提示该通路在协调细胞内分解代谢和合成代谢过程中扮演关键角色。

值得一提的是，这是该课题组近两年多来，在Molecular Cell杂志上发表的第四篇自噬调控相关论文。2015年1月，该课题组阐述了核内LC3蛋白脱乙酰化修饰在自噬泡形成中的重要意义及其调控机制；2015年11月，该课题组组发现了一条激活组蛋白脱乙酰化酶Sirt1启动细胞自噬的新的信号途径；2017年8月，该课题组发现了p300介导的乙酰化修饰在VPS34激活中的关键作用，阐述了这一新机制在启动经典自噬和非经典自噬中的重要意义

论文解读：

乙酰化作为哺乳动物细胞内重要的蛋白翻译后修饰，参与调控众多的生物学过程。组蛋白乙酰转移酶p300通过乙酰化组蛋白和其他蛋白调控细胞的生长和增殖。然而，我们对细胞内p300的活性调控机制却知之甚少。

蛋白的乙酰化参与调控细胞代谢的众多环节，提示乙酰转移酶/去乙酰化酶在细胞代谢调节中发挥重要作用。作为细胞内重要的乙酰转移酶，p300和其同源蛋白CBP，最早发现在细胞核内通过乙酰化组蛋白和转录因子，充当转录共激活子（coactivator），调控基因转录。p300也可以通过乙酰化细胞质中的蛋白，参与调控细胞质中的生物学过程。最近的研究发现，p300在细胞内重要的分解代谢过程自噬中发挥调控作用。p300通过乙酰化自噬相关蛋白LC3，Atg5和Atg7抑制自噬的起始。葡萄糖饥饿时，这些蛋白的去乙酰化酶Sirt1被AMPK激活，诱导自噬相关蛋白去乙酰化，促进自噬的发生。然而，在抑制Sirt1活性时，剥夺氨基酸或者用mTORC1的抑制剂雷帕霉素（rapamycin）处理细胞， 并不能阻止LC3的去乙酰化，自噬也会正常发生。与此类似，在Sir2（Sirt1在线虫中的同源蛋白）敲除的线虫中，雷帕霉素也可以诱导自噬的起始。以上发现促使研究人员探究mTORC1调控乙酰转移酶p300的可能性。

该研究中，研究人员通过基因高表达、基因敲低/敲除、体外激酶反应、质谱分析和位点突变等手段发现mTORC1能够直接磷酸化乙酰转移酶p300，并鉴定出位于p300羧基端结构域的S2271，S2279，S2291和S2315是主要的磷酸化位点。接下来，他们通过改变mTORC1的活性、构建p300模拟磷酸化和去磷酸化突变体，结合一系列细胞内外实验发现，mTORC1介导的磷酸化能够显著激活p300的乙酰转移酶活性。

图1 mTORC1调控p300的乙酰转移酶活性

已有的晶体结构研究研究提示，p300的活性受到其分子内自抑制的调控。p300的RING结构域（包含于BRP结构域内）和AIL（Autoinhibitory loop）通过结合HAT酶活结构域而抑制p300的活性。为了揭示mTORC1介导的磷酸化调控p300活性的分子机制，他们构建了缺失RING和缺失AIL的p300突变体，发现缺失RING结构域后，p300被组成型激活，并且不受mTORC1活性的调控。进一步，利用纯化蛋白进行体外蛋白相互作用实验，他们发现mTORC1介导的磷酸化通过抑制p300的RING结构域和HAT结构域的结合，解除RING结构域的分子内抑制作用，促进p300的激活。

图2 mTORC1介导的磷酸化解除p300的分子内抑制作用

继而，研究人员检验了该mTORC1-p300通路在自噬启动和脂质生成中的作用。营养缺乏时，p300去磷酸化，活性受到抑制，LC3等自噬蛋白发生去乙酰化并被激活，自噬随之启动；营养充足时，mTORC1磷酸化p300并激活其活性，激活的p300乙酰化调控脂质生成的关键转录因子SREBP-1c，提高其转录活性，促进脂质生成。

图3 mTORC1-p300通路参与调控自噬启动和脂质生成

综上所述，该研究建立了细胞内调控细胞代谢和基因表达两大重要蛋白（蛋白复合物）mTORC1和p300之间的直接调控关系，确定了p300在介导mTORC1信号中的重要地位。同时，该通路也为p300在其辅酶acetyl-CoA浓度没有显著变化条件下的活性改变和功能发挥提供了解释和依据。

据悉，刘伟教授研究组的博士生万伟是本文的第一作者，刘伟教授为本文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和国家重点基础研究发展计划的资助。 

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