暨南大学周庆华/李建双合作课题组揭示线粒体核酸内切酶ENDOG促进细胞自噬的分子机制

线粒体核酸内切酶Endonuclease G（ENDOG）是由核基因编码，主要定位于线粒体膜间隙，少量存在于细胞质和细胞核的蛋白质。前期的研究发现，ENDOG在细胞凋亡过程中，从线粒体释放，进入细胞核进行染色质DNA的切割，促进细胞凋亡^{[1, 2]}。此外，ENDOG还在细胞增殖^[3]、DNA重组^[4]、线粒体DNA合成^[5]以及细胞应对氧化应激过程中起到重要作用^[6]。研究发现，ENDOG也参与了多种疾病的发生和发展过程中，如帕金森症^[7]、心肌肥大^[8]等。

本研究的通讯作者周庆华在先前工作发现，在秀丽隐杆线虫受精成功之后，父系线粒体中的ENDOG会从线粒体膜间隙释放到线粒体基质中，并介导父系线粒体DNA的降解，最终通过母系自噬溶酶体及蛋白酶体降解途径来清除父系线粒体，系统的解释了父系线粒体进入卵细胞后被选择性清除的分子机制^[9]。然而ENDOG是否参与细胞自噬及其具体分子机制并不清楚。

在此工作基础上，周庆华/李建双合作课题组进一步研究发现ENDOG能促进细胞自噬流，并且在人源细胞、小鼠、果蝇及线虫等多个物种中是保守的。深入探讨其中机制发现，一方面ENDOG可以通过其磷酸化增强与14-3-3γ的相互作用，从而抑制mTOR信号通路来促进细胞自噬；另一方面ENDOG通过其核酸内切酶活性介导的DNA损伤应答来促进细胞自噬。相关工作近日发表在Nature Communications。

作者首先利用CRISPR/CAS9系统构建了ENDOG敲除细胞系，通过双荧光标记质粒（mCherry-GFP-LC3）检测自噬流、电子显微镜观察细胞中自噬小体和自噬溶酶体、及其他细胞自噬标志物检测等实验证实ENDOG敲除后抑制细胞自噬流；然后在ENDOG敲除小鼠肝脏、ENDOG缺失突变线虫的缝线细胞（Seam cell）和咽部肌肉细胞、ENDOG-siRNA干扰的果蝇脂肪体细胞（类似人肝脏细胞）中自噬小体均显著性减少，说明ENDOG促进细胞自噬在多个物种中保守。

图1. ENDOG在多个物种中促进细胞自噬

进一步分子机制研究发现，在细胞处于饥饿刺激时，Caspase8-Bid被激活，促进ENDOG从线粒体释放出来。释放到细胞质的ENDOG一方面被GSK-3β磷酸化，加强ENDOG与14-3-3γ，从而将TSC2和Vps34释放出来；释放出来的TSC2和Vps34通过抑制mTOR信号通路和促进细胞自噬起始一起达到促进细胞自噬的作用。另一方面，细胞质中的ENDOG可以进入细胞核，对DNA进行片段化，引起DNA损伤并促进细胞自噬，且这一过程是依赖于ENDOG的核酸内切酶活性的。

图2. ENDOG调控细胞自噬的分子机制示意图。

暨南大学附属第一医院王文君博士后为第一作者，暨南大学生物医学转化研究院/附属珠海医院李建双副研究员为本文的共同第一作者，暨南大学生物医学转化研究院/附属第一医院周庆华教授为本文通讯作者。

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Endonuclease G promotes autophagy by suppressing mTOR signaling and activating the DNA damage response

Wenjun Wang, Jianshuang Li, Junyang Tan, Miaomiao Wang, Jing Yang, Zhi-Min Zhang, Chuanzhou Li, Alexei G. Basnakian, Hong-Wen Tang, Norbert Perrimon & Qinghua Zhou

Nat. Commun., 2021, 12, 476, DOI: 10.1038/s41467-020-20780-2

导师介绍

周庆华

https://www.x-mol.com/university/faculty/27086

李建双

https://www.x-mol.com/university/faculty/278599

参考文献：

1.Li, L.Y., X. Luo, and X. Wang, Endonuclease G is an apoptotic DNase when released from mitochondria. Nature, 2001. 412(6842): p. 95-9.

2.Parrish, J., et al., Mitochondrial endonuclease G is important for apoptosis in C. elegans. Nature, 2001. 412(6842): p. 90-4.

3.Huang, K.J., C.C. Ku, and I.R. Lehman, Endonuclease G: a role for the enzyme in recombination and cellular proliferation. Proc Natl Acad Sci USA, 2006. 103(24): p. 8995-9000.

4.Zan, H., et al., Endonuclease G plays a role in immunoglobulin class switch DNA recombination by introducing double-strand breaks in switch regions. Mol Immunol, 2011. 48(4): p. 610-22.

5.Cote, J. and A. Ruiz-Carrillo, Primers for mitochondrial DNA replication generated by endonuclease G. Science, 1993. 261(5122): p. 765-9.

6.Lin, J.L.J., et al., Oxidative Stress Impairs Cell Death by Repressing the Nuclease Activity of Mitochondrial Endonuclease G. Cell Rep, 2016. 16(2): p. 279-287.

7.Buttner, S., et al., Endonuclease G mediates alpha-synuclein cytotoxicity during Parkinson's disease. EMBO J, 2013. 32(23): p. 3041-54.

8.McDermott-Roe, C., et al., Endonuclease G is a novel determinant of cardiac hypertrophy and mitochondrial function. Nature, 2011. 478(7367): p. 114-8.

9.Zhou, Q., et al., Mitochondrial endonuclease G mediates breakdown of paternal mitochondria upon fertilization. Science, 2016. 353(6297): p. 394-9.