蛋白组学·2018文献阅读大赛：Sabatini组揭示细胞饥饿调控核糖体自噬新机制
“蛋白组学·2018”线上文献阅读大赛开赛以来，陆续收到了很多参赛作品。经过评审团队精心的审阅、筛选后，从30余篇中精选出6篇优秀参赛作品，作品将陆续在“精准医学与蛋白组学”学术平台发布。
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参赛者：张骋博士，湖南大学。
参赛作品：定量蛋白质组学揭示细胞饥饿调控核糖体自噬新机制
编者按：溶酶体具有降解大分子的能力，有助于细胞清除受损组分以及回收营养以维持饥饿时的体内平衡。 溶酶体与疾病也有着密切关系，溶酶体功能障碍会导致溶酶体贮积病（Lysosomal storage disease）。不仅如此，溶酶体在在神经退化，癌症以及衰老过程中也起到重要作用。
近几年研究表明，营养敏感生长调控因子mTOR complex 1（mTORC1）与溶酶体有着重要的联系。mTORC1上游的营养感应机制组分大多数定位于溶酶体表面，溶酶体通过产生营养物质从而调控这些上游组分激活mTORC1。反过来，mTORC1通过调控自噬体形成调节溶酶体降解大分子的速度。
来自Whitehead研究所的David M. Sabatini教授，是mTOR信号通路研究领域的大牛，2016年9月入选引文桂冠奖名单。2017年，该课题组在顶级刊物Science上发表了一种方法可以分离获得高纯度溶酶体的方法。
2018年5月，Sabatini课题组又再次在Science上发表其实验室进一步的通过定量蛋白质组学揭示了在抑制mTORC1信号的条件下溶酶体蛋白质组的动态变化。研究发现NUFIP1作为核糖体自噬受体在饥饿诱导的核糖体降解中扮演着重要角色。
1. 蛋白质组学分析mTORC1和营养物质调控溶酶体蛋白质组变化
研究者利用高分辨率的定量蛋白质组学技术，分析了人类胚胎肾细胞(HEK 293T)在营养充足条件下，营养缺乏条件下以及mTOR抑制剂Torin1处理条件下的蛋白质组差异。虽然营养缺乏和Torin1都会抑制mTORC1信号通路，但是二者有不同的作用。
研究者利用定量蛋白质组结果鉴定到一些已知的响应营养和Torin1的溶酶体相关蛋白，也鉴定到一些新的溶酶体蛋白参与了Torin1或者营养缺乏的响应。发现mTOR抑制剂Torin1处理后，溶酶体中NUFIP1和ZNHIT3蛋白丰度提高，并且之前的研究已证明二者之间有相互作用。
图1饥饿条件下以及Torin1处理条件下的蛋白质组差异分析
2. 抑制mTORC1可导致NUFIP1-ZNHIT3在自噬体和溶酶体上积累
随后，研究者进一步通过特异性抗体进行验证，发现对NUFIP1和ZNHIT3在溶酶体中受到Torin1和营养缺乏诱导的上调。并通过荧光定位和WB等试验发现Torin1处理后，改变了NUFIP1的定位，通过使其从细胞核中到溶酶体中。进一步的研究表明，NUFIP1通过连接LC3B结构域与自噬体膜相连通过自噬体相关途径进入溶酶体中。
图2 WB与荧光定位检测NUFIP1定位变化
3. NUFIP1-ZNHIT3与核糖体结合与营养条件相关
因为NUFIP1与LC3B相结合，研究者猜想NUFIP1可能作为某个核糖体蛋白的选择性自噬体受体发挥功能。研究者通过IP证明了NUFIP1与核糖体具有相互作用。并通过实验证明mTORC1的抑制使NUFIP1结合LC3B并增强NUFIP1与核糖体的相互作用。后续IP实验还证明Torin1处理后的核糖体蛋白会加强与NUFIP1-ZNHIT3的结合，但是Torin1处理后的NUFIP1-ZNHIT3蛋白与核糖体蛋白的结合并不会加强。这些数据表明由mTORC1抑制引起的NUFIP1蛋白在细胞核中的减少以及NUFIP1与LC3B相互作用的增强是通过细胞质中的核糖体诱捕NUFIP1引起的。
4. NUFIP1在营养缺乏诱导的核糖体降解中扮演必要角色
为了进一步研究NUFIP1是否与自噬途径的核糖体降解相关，研究者构建了NUFIP1功能缺失的HEK-293T细胞系，发现NUFIP1的功能缺失不仅仅抑制Torin1诱导的核糖体的降解，也会抑制Torin1诱导的核糖体RNA降解。通过电镜观察也表明在NUFIP1功能缺失的HEK-293T细胞中，自噬体内核糖体明显比对照细胞少。
图4 WB与电镜观察验证NUFIP1功能缺失影响核糖体降解
5. 营养缺乏条件下细胞能否存活，NUFIP1起到决定性作用
进一步研究表明，NUFIP1功能缺失导致细胞在营养缺乏条件下的存活率降低。而向培养基中添加核苷可以提高饥饿状态下NUFIP1功能缺失细胞的存活率。这也表明了NUFIP1介导的核糖体降解提供饥饿期间细胞存活所需的代谢产物。
本文通过定量蛋白质组学等技术，研究发现NUFIP1循环进出细胞核。在饥饿条件下，mTORC1受到抑制，导致核糖体蛋白结合NUFIP1并使其在细胞质中积累。细胞质中的NUFIP1通过直接结合LC3B将其核糖体货物转运至自噬囊泡。最终核糖体降解，为细胞提供足够的代谢产物，使细胞在饥饿条件下生存。
蛋白质作为功能的最终执行者，其差异变化可直接反应生命活动的基本规律。运用定量蛋白质组学技术、与蛋白质修饰组学等技术，通过直接检测蛋白表达丰度及翻译后修饰水平的动态变化与样本差异，不但可以揭示生命活动的基本规律，还能够发现上下游调控分子，对信号通路、代谢调控等领域研究有重要的应用价值。
参考文献：
Wyant GA, et al. (2018), NUFIP1 is a ribosome receptor for starvation-induced ribophagy. Science.
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