P300/HDAC1 调控 LC3/Atg8-PE 泛素样系统的乙酰化/去乙酰化及自噬活性

P300/HDAC1 regulates the acetylation/deacetylation and autophagic activities of LC3/Atg8-PE ubiquitin-like system.

作者信息Wenmei Wu, Kang Li, Sanyou Guo, Jing Xu, Qiuqin Ma, Shuyan Li, Xianying Xu, Zhijun Huang, Yangjin Zhong, Gianluca Tettamanti, Yang Cao, Sheng Li, Ling Tian
PMID34059632
发布时间2021-05-31
DOI10.1038/s41420-021-00513-0

实验完整度

高

该研究包含体外细胞实验(BmN细胞、HEK293细胞)和体内动物模型(家蚕幼虫),并进行了基因敲除(CRISPR/Cas9)、RNAi、药物处理、突变体功能验证及质谱鉴定,涉及多个证据层级。

主要模型

家蚕脂肪体 BmN细胞系 HEK293细胞系

重点核对

BmP300和BmHDAC1的RNAi敲低效率(mRNA水平分别降至约40%和约50%) 20E处理浓度(1、2.5、5μM)及饥饿时间(2、4、8小时)对BmAtg3和BmAtg8核质转位的影响 C646、TSA和CTB处理剂量(分别为4.5-36μg/larva、3-18μg/larva、5.5-33μg/larva)及处理时间(24小时) BmAtg3和BmAtg8的CRISPR/Cas9敲除效率(约30%和40%)

摘要

蛋白质乙酰化在调控自噬发生中具有潜在作用。然而,其在酵母和哺乳动物之间差异显著,且在其他生物中尚未深入研究。本文报道,家蚕中 BmAtg8–PE 泛素样系统的组分(BmAtg3、BmAtg4、BmAtg7 和 BmAtg8)在营养丰富条件下定位于细胞核,而在自噬诱导时转运至细胞质。BmP300 的 RNAi 和 BmP300 活性抑制导致 BmAtg3 和 BmAtg8 的核质转位,以及在无刺激条件下过早诱导自噬。相反,BmHDAC1 的 RNAi 和 I/II 类 HDAC 活性的抑制导致 BmAtg3 和 BmAtg8 在核内积聚。此外,通过质谱鉴定了 BmAtg8–PE 泛素样系统 Atg 蛋白中的乙酰化位点,乙酰化位点突变导致 BmAtg3、BmAtg4 和 BmAtg8 的核质转位以及自噬促进。类似地,人类 ATG4b 的亚细胞定位由乙酰化修饰决定。总之,BmP300 介导的乙酰化将 BmAtg8–PE 泛素样系统的组分隔离在细胞核中,从而抑制自噬。相反,BmHDAC1 介导的去乙酰化导致 BmAtg8–PE 泛素样系统组分的核质转位并促进自噬。这一过程在昆虫和哺乳动物之间是进化保守的。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
在酵母和哺乳动物之外,LC3/Atg8-PE泛素样系统组分的乙酰化调控机制是否在其他生物中存在,且其方向与哺乳动物一致还是相反?
核心机制
P300介导的乙酰化将BmAtg8-PE系统组分滞留在细胞核中,抑制自噬;HDAC1介导的去乙酰化导致其核质转位,促进自噬。
主要证据
通过RNAi、药物处理、乙酰化位点突变、质谱鉴定等方法,在BmN细胞和家蚕脂肪体中验证了BmP300和BmHDAC1对BmAtg3和BmAtg8乙酰化状态及亚细胞定位的相反调控作用,并在HEK293细胞中验证了人类ATG4b的相似调控。
研究意义
揭示乙酰化调控自噬的机制在昆虫和哺乳动物之间进化保守,与酵母相反,为理解自噬调控的物种差异提供了新视角。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

验证BmAtg3和BmAtg8在变态期自噬中的必要性

确定BmAtg3和BmAtg8是否参与家蚕变态期自噬发生及其功能。

通过CRISPR/Cas9敲除BmAtg3和BmAtg8,检测自噬标志物(如BmSqstm1降解、BmAtg8-PE形成)及自噬体形成(TEM、LysoTracker染色)。

2

检测20E和饥饿诱导下BmAtg3和BmAtg8的核质转位

探究自噬诱导条件下BmAtg3和BmAtg8的亚细胞定位变化。

在BmN细胞中,用不同浓度20E或不同时间饥饿处理,通过蛋白印迹和免疫荧光检测BmAtg3和BmAtg8的定位及修饰水平。

3

鉴定BmP300和BmHDAC1对BmAtg3和BmAtg8乙酰化及定位的调控

确定BmP300和BmHDAC1是否分别催化BmAtg3和BmAtg8的乙酰化和去乙酰化,并影响其核定位。

通过siRNA敲低BmP300、BmTip60、BmCbp、BmKat2a,或过表达BmHDAC1,检测BmAtg3和BmAtg8的乙酰化水平及亚细胞定位。

4

验证BmP300和BmHDAC1对自噬的相反调控作用

确认BmP300抑制自噬,BmHDAC1促进自噬。

在家蚕幼虫中进行RNAi敲低BmP300或BmHDAC1,或用化学药物(C646、TSA、CTB)处理,检测自噬水平及BmAtg3、BmAtg8的定位。

5

鉴定BmAtg4和BmAtg7的自噬功能及乙酰化调控

探究BmAtg4和BmAtg7是否参与自噬及是否受乙酰化调控。

通过RNAi敲低BmAtg4和BmAtg7,检测自噬标志物及BmAtg3/8定位;同时检测BmAtg4和BmAtg7在自噬诱导下的乙酰化水平变化。

6

验证乙酰化位点突变对BmAtg3、BmAtg8、BmAtg4功能的影响

确认乙酰化位点对自噬调控的功能必要性。

对BmAtg3(K94、K195)、BmAtg8(K6、K13、K20、K24、K46/K48)、BmAtg4(K125、K237、K269)进行乙酰化位点突变,检测突变体的乙酰化水平、亚细胞定位及对自噬的影响。

7

验证人类ATG4b的乙酰化调控

探究人类ATG4b是否也受乙酰化调控并影响自噬。

在HEK293细胞中过表达HsATG4b,通过质谱鉴定乙酰化位点,突变位点后检测亚细胞定位和自噬水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

验证样本或模型特征
验证分子表达变化
验证免疫效应
验证机制链路
数据分析与统计

产品清单

实验环节名称品牌货号
格蕾丝昆虫培养基Sigma-AldrichG9771
DMEM培养基Thermo Fisher10569044
胎牛血清AusGeneXFBS500-S
大肠杆菌DH5αTIANGENCB101-03
大肠杆菌BL21(DE3)TIANGENCB105-02
pIEX4载体Novagen71235-2
FuGENE® HD转染试剂PromegaE2311
TransIntro™ EL转染试剂TransGen BiotechFT201-01
溶菌酶----
Vibracell VCX 750超声破碎仪Sonics Inc--
Q Exactive™质谱仪Thermo FisherScientific
曲古抑菌素AMCEHY-15144
C646MCE328968-36-1
CTBSigma-AldrichC6499
20-羟基蜕皮酮Sigma-AldrichH5142
T7 RiboMAX™ Express RNAi系统PromegaP1700
mMESSAGE mMACHINE T7试剂盒Thermo FisherAM1344
MEGAscript™ T7试剂盒Thermo FisherAM1334
蛋白酶抑制剂混合物Roche0469313201
蛋白A/G琼脂糖珠Thermo Fisher20421
BmAtg3抗体Abclonal Technology017751D
BmSqstm1抗体Abclonal TechnologyA18679
c-Myc抗体Sigma-Aldrich11667149001
His抗体TransGen BiotechHT-501
FLAG抗体InvitrogenMA1-142
V5抗体TransGen BiotechHT-401
HA抗体Santa Cruz Biotechnologysc-7392
SQSTM1/p62抗体Cell Signaling Technology5114
LC3B抗体Abcam192890
乙酰化赖氨酸抗体Cell Signaling Technology9441
LMNB/Lamin B1抗体Bioworld TechnologyAP6001
TUBA1A抗体Beyotime BiotechnologyAF0001
ACTB抗体ProMab Biotechnology20270
Tanon-5200化学发光成像系统Tanon--
Alexa Fluor 488抗体Abcamab150077
DAPIBeyotime BiotechnologyC1005
六孔板Guangzhou Jet Bio-FiltrationTCP-010-006
FV3000共聚焦荧光显微镜Olympus--
NE-PER™核浆分离试剂盒Pierce78833
LysoTracker Red染料InvitrogenL7528
RNAiso Plus试剂TaKaRa9108
PrimeScript™ RT试剂盒TaKaRaRR047A

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养与转染
BmN细胞培养条件(28°C,Grace's Insect Medium添加10%胎牛血清);HEK293细胞培养条件(DMEM添加5%胎牛血清);转染试剂(FuGENE HD或TransIntro EL)及用量
阅读提示:Materials and methods: Animals and cell culture, Plasmid construction and transfection
药物处理
20E处理浓度(1, 2.5, 5 μM)和时间(6小时);饥饿时间(2, 4, 8小时);C646浓度(800 nM)处理6小时;TSA和CTB浓度(20 μM)处理2小时
阅读提示:Materials and methods: Chemicals and starvation treatments
RNAi
dsRNA注射剂量(50 μg/larva);注射时机(IW前12小时);敲低效率验证(mRNA水平)
阅读提示:Materials and methods: RNAi knockdown
CRISPR/Cas9敲除
Cas9 mRNA浓度(300 ng/μL)和sgRNA浓度(150 ng/μL);注射时间(产卵后6小时内);敲除效率测定
阅读提示:Materials and methods: Gene editing in silkworms
蛋白检测
抗体稀释比例(如BmAtg3 1:3000, BmAtg8 1:3000);内参抗体(LMNB1、TUBA1A、ACTB);IP裂解液组成
阅读提示:Materials and methods: Immunoprecipitation and western blotting