针对Atg5非依赖性自噬的小分子化合物筛选及机制研究

Autophagy is an intracellular process evolutionarily conserved from yeast to mammals. It maintains cellular homeostasis through degradation of proteins and organelles, which are enclosed by autophagosomes and destined to lysosomes. Mechanistically, canonical autophagy is controlled a set of conserved autophagy-related (Atg) proteins. In contrast to this well-studied autophagy, Atg5-independent noncanonical autophagy emerged these past years, in which LC3-II, an indispensable regulator for canonical autophagy, is not required any more. In a recent study, we found that Atg5-independent autophagy mediates mitochondrial degradation, especially in iPS reprogramming. Based on this finding, in this proposal, we plan to screen for small-molecule modulators of Atg5-independent autophagy using mitochondrial content as readout, and then look into the molecular mechanisms and the physiological functions of Atg5-independent autophagy. These results will not only extend our knowledge of Atg5-independent autophagy, but also provide us reliable assays and specific markers useful for further investigation of this noncanonical autophagy.

自噬是在进化过程中高度保守的细胞过程，存在于从酵母到哺乳动物的各种生物中。自噬通过自噬小体把其底物包裹起来并运送到溶酶体降解，借此帮助细胞维持其稳态。经典的自噬受一系列Atg蛋白所调控，目前人们对其分子机制的了解已经非常深入。近几年，还发现了一种Atg5非依赖性自噬，其自噬小体的形成无需经典自噬中所必须的LC3-II。但是，人们对这种自噬的分子机制和生理功能还知之甚少。在最新的研究中，我们发现Atg5非依赖性自噬在细胞中，特别是重编程细胞中，参与了线粒体的降解。在此基础之上，我们拟在本项目中以线粒体数量为标志物，通过高通量筛选，发现能够调控Atg5非依赖性自噬的小分子化合物，并研究这一自噬的分子机制和生理功能。通过本项目的实施，不仅可以揭示出全新的Atg5非依赖性自噬的分子机制和生理功能，而且还将为研究这一非经典自噬提供可靠的研究方法和检测标志物，从而推动该领域的进一步发展。

在本项目支持下，我们构建了线粒体被稳定标记的Atg5-/-细胞系，并通过高通量筛选发现了一个小分子化合物P。小分子化合物P可以通过激活Atg5非依赖性自噬途径，诱导线粒体的降解。另外，我们还通过构建特异性标记线粒体的细胞系，筛选出了能够诱导线粒体减少的小分子化合物Y，并发现这一过程不依赖于线粒体的合成和自噬。在后续的研究中，我们揭示了小分子化合物Y能够在Complex I活性受到抑制时，防止线粒体去极化的发生，并促进细胞的存活。与此一致的是，在Complex I缺陷造成的Leigh氏综合症Ndufs4-/-小鼠模型中，与小分子化合物同一靶点的小分子化合物F，可以明显增加小鼠的生存期。这些研究成果的取得，为我们开展更为深入的机制和功能研究奠定坚实的基础，同时还将拓展我们对线粒体稳态调控机制的理解，并帮助我们发现全新的可用于治疗线粒体疾病的潜在靶点。