华西卢克锋、许文明揭示生殖组织特异性自噬的重要生理功能 | Cell Press对话科学家
生命科学
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8月23日，四川大学卢克锋、许文明团队在Cell Press细胞出版社期刊Developmental Cell上发表了一篇题为“Autophagic elimination of ribosomes during spermiogenesis provides energy for flagellar motility”的新研究。他们发现酵母蛋白Vac8将自噬体脂质PtdIns3P的催化激酶复合体PIK3C3-C1募集到自噬体组装位点来介导自噬起始。揭示了 Vac8/ARMC3 在 PtdIns3P激酶复合体锚定在自噬起始位点的作用，以及其在生殖组织特异性自噬中的重要生理功能。这项研究表明，在多细胞生物中，在某些情况下，特别是当细胞突然需要增加新陈代谢时，自噬被激活以降解胞内物质从而满足细胞自主方式的物质和能量需求。
Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该研究进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。
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文章亮点
自噬过程的一个特点是从无到有的形成自噬体来包裹底物并运送到溶酶体/液泡进行降解。因此在自噬研究领域，自噬起始（空间上和时间上）是如何被调节的以及这种调节的功能意义是不清楚的。在本研究中，我们发现酵母蛋白Vac8将自噬体脂质PtdIns3P的催化激酶复合体PIK3C3-C1募集到自噬体组装位点来介导自噬起始。这种招募依赖于Vac8 的N-端棕榈酰化修饰及其结合 PIK3C3-C1 的中间 ARM 结构域。Vac8 的小鼠同源分子 ARMC3 的自噬功能是保守的。缺乏 ARMC3 的小鼠具有正常的生存能力但表现出完全的雄性不育。蛋白质组学分析以及多种生化分析表明在缺乏 ARMC3 的精子细胞中，细胞质核糖体的自噬降解被阻断，导致线粒体能量水平低和精子鞭毛运动力丧失。本研究揭示了 Vac8/ARMC3 在 PtdIns3P激酶复合体锚定在自噬起始位点的作用，以及其在生殖组织特异性自噬中的重要生理功能。自噬是一种进化上保守的真核生物中的促生存途径。对于简单的真核生物如单细胞酵母，自噬最基本的功能是在营养饥饿时被激活，进而降解胞内物质来实现物质再循环从而度过该阶段。对于复杂的多细胞真核生物，例如哺乳动物，自噬具有抵抗营养饥饿之外的其他重要功能。本研究表明在多细胞生物中，在某些情况下，特别是当细胞突然需要增加新陈代谢时，自噬被激活以降解胞内物质从而满足细胞自主方式的物质和能量需求。
WT小鼠精子
ARMC3-KO 小鼠精子
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者卢克锋研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
自噬在真核生物的各种生理和病理条件下都发挥着重要作用，请问您是如何想到将自噬与精子发生中的生物学过程联系起来的？
卢克锋研究员：
精子时从精原细胞历经减数分裂成为圆形精子细胞，然后经历一系列的形态变化和功能转变，形成伸长的成熟精子。在精子的发生过程中，除了精子鞭毛的配置和顶体的发生等过程，另一个重要变化就是精子中的多余细胞器和细胞质的去除。自噬的功能之一就是在营养缺乏或者受到刺激时将细胞中多余的蛋白质或者细胞器等降解回收以供细胞重新利用。我们的研究对象ARMC3有着重要的自噬功能，可以促进自噬的起始，提高自噬活性。我们在分析ARMC3表达时发现其在雄性生殖系统睾丸中独特的高表达。在分析ARMC3的表达时间时我们发现其在幼鼠的精子生成阶段之前低表达，随着精子生成时期的开始，ARMC3也随之增高表达。因此，我们推测是否ARMC3特异的高水平表达（睾丸-组织器官特异性；生精-发育时期特异性）介导激活的自噬在小鼠精子生成阶段有重要生理作用。这就将自噬和雄性生殖系统联系在了一起。
CellPress：
请问液泡膜蛋白Vac8在PIK3C3-C1定位到PAS的过程中发挥了怎样的功能？
卢克锋研究员：
Vac8通过其在N端的棕榈酰化锚定在了液泡膜上，然后通过中间的ARM结构域将PIK3C3-C1复合体募集到膜上的PAS位点。在这个过程中，Vac8的膜锚定和对下游自噬重要因子的募集作用是它最重要的功能。
CellPress：
请问Vac8的棕榈酰化及ARM结构在自噬过程中发挥怎样的作用？
卢克锋研究员：
Vac8通过其在N端的棕榈酰化锚定在了液泡膜上，然后通过中间的ARM结构域将PIK3C3-C1复合体募集到膜上的PAS位点，从而自噬可以正常发生。如果Vac8的棕榈酰化修饰被破坏，Vac8不能定位到液泡膜上，复合体就不能被正常募集到自噬起始点，自噬阻断；如果ARM结构域被破坏，即使是正确锚定到液泡膜的Vac8也不能募集PIK3C3-C1复合体，自噬仍然阻断。
CellPress：
ARMC3的缺失，是通过怎样的途径来影响精子鞭毛运动的？
卢克锋研究员：
ARMC3的缺失会导致自噬活性降低，因此核糖体自噬不能正常发生，即在精子变形过程不能降解多余的核糖体，也就不能利用回收的物质来储备能量以满足精子细胞的生理活动，所以精子鞭毛活动变低甚至不动。长期以来，精子发生过程中细胞质内容物的消除被认为是由它们形成残留体介导的，这些残留体被支持细胞吞噬和吸收。本研究表明自噬对核糖体的主动去除不仅有助于消除多余的物质，而且还保证有足够的能量来满足精子运动需求。
CellPress：
请问本研究的成果对于自噬调控功能的理解，尤其是在生殖方面，有何帮助？
卢克锋研究员：
自噬的功能主要被理解为被动地在饥饿时自我吞噬以满足生存需要以及清理废弃物质。本研究表明自噬除了循环营养物质和废物清理以外，在某些特定的生理活动中，自噬也会主动发挥功能去清除在下一个生理阶段暂时不需要的物质。在生殖过程中自噬的调控功能就体现在精子变形时自噬主动去清除核糖体等细胞器和细胞质。在雄性生殖方面，精子的运动力至关重要。本研究提示对于部分原因未明的雄性不育（精子生成正常，精子结构形态正常），检测生殖系统以及精子的自噬基因以及活性可以提供疾病分析线索，并因此考虑针对性的治疗方法如自噬激活剂和能量补充剂等。
CellPress：
请问接下来您和您团队的工作重点在哪里？
卢克锋研究员：
我们团队一直都在进行的是针对自噬的分子机制和生理病理功能进行研究。我们基于特定的自噬分子，但是试图通过理解相应自噬分子的工作机制来揭示自噬领域的未知问题。围绕该工作，我们接下来的研究重点分为几个方面：一是从大的方面（big picture）来理解多细胞和单细胞真核生物中相似和特异的自噬活性调控的分子机制和生理意义，二是从深入的角度分析生精过程中ARMC3增高表达以及自噬活性增高的上游信号以及相应机制，分析精子变形期核糖体自噬的选择性机制，以及观测自噬活性是否以及如何随精子变形完成而降低。
作者介绍
李绘绘
副研究员
李绘绘，四川大学华西第二医院、生物治疗国家重点实验副研究员。主要从事肿瘤、炎症、自噬相关研究。迄今为止在Gastroenterology、Journal of Clinical Investigation、Autophagy、Developmental Cell、Cell discovery、Cancer Research、Cell Death and Disease等国际知名学术期刊发表学术论文10余篇。主持国家和省部级项目三项。
许文明
研究员
许文明，四川大学华西第二医院生殖遗传与表观遗传实验室PI，研究员，博士研究生导师。香港中文大学生殖生理学哲学博士（2007）, 美国哥伦比亚大学肿瘤遗传研究所肿瘤遗传学博士后。2009年8月回国任四川大学/香港中文大学生殖医学联合实验室副主任，现任四川大学华西第二医院四川大学－香港中文大学生殖医学实验室PI。中国生理学会生殖科学分会专委会常务理事会委员，研究项目获得多项国家重点研发计划，获国家自然科学基金面上项目，自然科学基金委中加国际合作项目资助。发表SCI论文近100篇。代表作发表于Nature Communications, PNAS，JCS，BOR，Human reproduction, Fertility & Sterility等相关专业杂志。主要研究方向为生殖医学的基础与转化研究，利用多学科的研究手段，着眼于从相关的基础研究中发现具有临床转化前景的靶点与方案。临床研究主要聚焦于创新诊断技术在生殖不育与儿童孤独症早期诊断与干预的应用。
卢克锋
研究员
卢克锋，四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室研究员。主要从事细胞内蛋白质降解和细胞自噬研究。工作成果发表在Cell、Nature cell biology（3篇）、Developmental Cell、Autophagy、Cell Discovery等学术期刊。主持多项科研项目包括国家重点研发专项青年项目、国家自然科学基金优青项目、国家自然科学基金面上项目等。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Developmental Cell上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Autophagic elimination of ribosomes during spermiogenesis provides energy for flagellar motility
▌论文网址：
https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(21)00598-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.07.015
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