973 蛋白质主要降解途径-细胞自噬的分子机制及功能

973 蛋白质主要降解途径-细胞自噬的分子机制及功能

项目名称：蛋白质主要降解途径-细胞自噬的分子机制及功能

首席科学家：刘玉乐清华大学

起止年限： 2011.1至2015.8

依托部门：教育部

一、研究内容

本项目重点围绕细胞自噬的信号调控和分子机制和细胞自噬在生理活动中的功能及其在人类重大疾病中的作用2个关键科学问题，系统开展以下研究

（1）开展细胞自噬的分子细胞生物学机制研究，细胞自噬的细胞生物学模型可以概括为前自噬体的装配、自噬体膜的延伸、自噬体的形成、自噬体同溶酶体的融合、细胞自噬底物的降解以及我们最近发现的自噬溶酶体再生等6个步骤，目前只有32个细胞自噬相关分子被鉴定出来，这些分子主要参与和调控自噬体膜的延伸、自噬体的形成，而细胞自噬的其它步骤的分子机制了解甚少。我们将在哺乳动物全基因组范围内进行高通量细胞自噬新基因的筛选、研究新细胞自噬蛋白的定位、转运、修饰、同已知细胞自噬功能蛋白的关系等。重点研究自噬体膜的来源，以及自噬性溶酶体再生的分子机制等细胞自噬领域的关键问题。

（2）开展细胞自噬在动物个体发育中的功能研究，在秀丽线虫中，体细胞中的P颗粒通过细胞自噬作用而被降解。这一发现为利用正、反向遗传学手段来发现细胞自噬通路中的新组分提供了独特的模式系统。通过遗传突变可以筛选体细胞中P颗粒不能被降解的突变体并利用图位克隆方法来克隆相关基因，进而综合运用遗传学、细胞生物学和生物化学等研究手段阐明这些新基因在细胞自噬系统中的分子机制以及它们对个体发育的调控机制。

（3）开展细胞自噬在肿瘤和自身免疫病中的作用的研究，对从不同模式生物中筛选出的新的细胞自噬分子，进行人类同源分子的功能分析，利用各种肿瘤细胞系和裸鼠模型，研究新细胞自噬分子与肿瘤细胞生物学行为之间的联系，制备细胞自噬新基因的转基因或基因敲除小鼠，从正反两个方面分析细胞自噬新基因在肿瘤发生发展中的作用以及分子机制；分析细胞自噬分子对淋巴细胞发育、外周淋巴细胞活化、增殖等的影响，以及免疫分子对细胞自噬调节等，了解信号转导通路和分子机制，利用现有的疾病动物模型分析细胞自噬新基因的功能，利用临床标本，检测常见肿瘤和免疫病病人病变部位、外周淋巴细胞以及亚型中细胞自噬新基因的表达，分析其表达水平与病程的相关性，同时筛选细胞自噬新基因的突变体，为细胞自噬分子的疾病关联研究及临床应用提供基础。从而从动物模型到临床病例，全面阐述人类新细胞自噬分子在肿瘤以及自身免疫中的重要作用，确定潜在药物靶标和新的生物标记物，为进一步的应

用研究奠定基础。

（4）开展细胞自噬在植物发育、病原-寄主相互作用中的功能研究，分离鉴定与已知细胞自噬蛋白相互作用的蛋白的基因，研究这些基因如何调控细胞自噬以及它们如何调控植物对病原入侵的反应及植物发育。

二、预期目标

本项目的总体目标：

本项目围绕细胞自噬研究中关键的科学问题细胞自噬的分子机理和功能开展研究，聚焦于哺乳动物全基因组范围细胞自噬新分子的鉴定及功能分析、细胞自噬在动物个体发育中的功能研究，细胞自噬在人类肿瘤和自身免疫中的作用，以及细胞自噬在植物发育、病原-寄主相互作用中的作用，在不同生物模式中系统地开展细胞自噬领域的基础研究，揭示细胞自噬的分子机理和功能，在细胞自噬研究上取得若干突破，产出与我国日益增长的国力相称的重要科学成果，对我国的国民经济发展、人民健康产生积极的推动作用；同时建立和培养一支具有国际领先水平的细胞自噬研究队伍。

五年预期目标:

（1）在多种模式生物中鉴定一批新的细胞自噬分子，鉴定其分子结构和功能及其与已知Atg蛋白的相互作用，进一步阐述自噬体膜的来源，以及自噬性溶酶体再生的分子机制，获得一批原创性的成果；

（2）在现有的基础上，建立细胞自噬研究的平台技术体系，重点加强以多种模式生物为基础建立细胞自噬分子筛选体系，进一步强化自噬体体外重装的关键技术，并争取实现若干关键技术的自主创新；

（3）阐述细胞自噬的异常与发生人类重大疾病的相互关联，针对我国多发的癌症、免疫性疾病种类，寻找一些以细胞自噬为基础的新药物靶标或新的生物标记物，获得一批有自主知识产权的研究成果；

（4）通过培养博士后和博士研究生，扶植一批在细胞自噬研究领域具有国际竞争力的优秀中青年科学家，造就一支结构合理、具备攻坚能力的国际先进水平的研究队伍；争取培养国家杰出青年基金获得者2～3，长江学者1～2名。（5）以研究论文和独立开发的技术成果（专利）的形式公布项目研究成果，五年内争取发表影响因子大于5的SCI刊物上发表学术论文50篇左右，在国际高水平杂志（影响因子大于10）上发表论文4-6篇，力争在国际顶尖杂志Cell, Nature或Science上发表论文，并申报专利3-5项。

三、研究方案

一、学术思路

本项目的一个核心思想是根据细胞自噬分子在不同模式生物中的高度同源性，利用各系统分别所具有的优势，运用一系列分子生物学、细胞生物学、遗传学

等手段，对新鉴定出的细胞自噬分子进行系统地研究。并基于多种模式生物建立一定规模的细胞自噬研究的平台，从蛋白质-蛋白质、蛋白质－脂类相互作用、蛋白质定位、转位、运输、蛋白质降解以及细胞自噬膜组成成分的动态变化入手，在分子、细胞以及个体水平等多层次阐明细胞自噬的分子机理和信号调控机制，并在整体水平上阐明这些蛋白在动植物生理活动、重大疾病中的作用，深入探讨潜在的临床应用价值。可望在细胞自噬研究上取得若干突破，提升我国细胞自噬的水平和国际影响力，使我国该领域在国际上占据重要的地位。

二、技术途径：

（1）本研究采取系统筛选和重点研究相结合的方法，在多种系统中筛选鉴定细胞自噬相关蛋白，然后针对个体蛋白进行重点研究；

（2）本课题采用多层次、多空间尺度的研究手段，在分子水平上研究蛋白-蛋白相互作用，蛋白-脂类相互作用，在细胞生物学水平上研究蛋白的修饰、定位、降解以及在细胞自噬中的作用。在个体水平上研究这些蛋白对不同模式生物的发育、重要生理功能的影响以及在重要疾病中的作用

（3）本研究采用多系统、多手段综合的方式对主要科学问题进行多层次、多角度的研究，利用线虫、哺乳动物细胞和植物各自具有的优势和特点，对细胞自噬这一在进化上保守的生命活动进行跨系统的综合研究。

（4）本课题将进行遗传学、分子生物学、细胞生物学、生物化学和发育生物学等多学科的交叉，利用突变体库筛选、RNAi文库筛选、蛋白-蛋白相互作用分析，静态、动态显微成像，数学建模等一系列前沿手段，对主要科学问题进行跨学科的深入研究

（5）本课题将动态和静态结合，利用活细胞，使用多光子、高分辨、萦光共聚焦显微成像系统等，对蛋白在细胞自噬的细胞生物学过程中的作用进行高时间分辨率的实时动态观察。利用TIRF、STORM等新兴显微技术对蛋白在自噬体上进行超高空间分辨率的定位，从时空上对目的蛋白在细胞自噬中的作用进行研究（6）离体和在体的结合，利用重组蛋白建立自噬体外重建系统，利用纯化的目的蛋白深入研究其作用机制，并在细胞水平上进行在体实验验证。

三、创新点与特色：

（1）细胞自噬新基因的高通量筛选，以及功能研究的技术平台具有一定创新性，筛选方法技术也有显著改良等。

（2）新的具有潜在药物靶标和生物标记物的细胞自噬分子的鉴定，将申请具有自主知识产权的专利。

（3）采用多系统、多手段在不同模式生物对新细胞自噬分子进行跨系统的综合研究，为从蛋白水平、亚细胞和细胞水平、个体水平研究生命活动和规律提供新的思路，有利于揭示自主发现的新型细胞自噬分子在疾病发生、发展过程中的作用及其潜在的临床应用前景，为重大疾病的预测、诊断、治疗，以及农作物产量和品质的提高提供科学依据和新的增长点，形成源头创新和自主知识产权的研究成果，研究内容新颖，意义重大。（4）该项目整合我国细胞自噬及相关分子细胞学研究领域的优势实验室，联合攻关，较好地体现了多学科的交叉综合研究优势。