Ca2+作为一种多功能信号，调控多种细胞活动。Ca2+信号通过各种Ca2+结合效应蛋白转导，或通过Ca2+及Ca2+/钙调蛋白 (CaM) 依赖性蛋白激酶 (CDPKs或CaMKs)，磷酸化下游分子而发挥功能【1, 2】。Ca2+信号具有高度动态性，呈现出复杂的时空分布，如Ca2+瞬变在频率、幅度和持续时间上各有不同【3, 4】。CaMKII是解码Ca2+信号的因子之一，属于多功能CaMK家族激酶【5-7】。CaMKII亚家族有四个成员，α、β、γ和δ，它们在不同组织中的表达不同，在与肌动蛋白丝结合活性上也有差异。细胞自噬是指通过形成双层膜结构的自噬体，包裹部分胞质并运送到溶酶体进行降解及回收的过程。自噬对细胞抵抗多种应激和维持稳态至关重要。自噬功能异常与人类多种疾病密切相关。自噬体形成的关键步骤包括隔离膜（自噬体前体）的成核、延伸以及闭合。张宏课题组前期研究发现，自噬诱导条件下，内质网表面发生的Ca2+瞬变诱导自噬起始FIP200复合物发生液-液相分离形成凝聚体，从而构成自噬起始位点以启动自噬体的形成（专家点评Cell | 张宏团队揭示内质网表面钙瞬变决定自噬体在内质网形成）【8】。但是内质网表面Ca2+瞬变如何在自噬诱导期间持续发生，以及它们如何被解码，并触发FIP200凝聚体形成的具体机制还不清楚。近日，来自中国科学院生物物理研究所的张宏研究团队在Molecular Cell杂志发表题为Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II β (CaMKIIβ) decodes ER Ca2+ transients to trigger autophagosome formation 的研究论文，该研究揭示了CaMKIIβ通过磷酸化FIP200，从而调节自噬起始复合物FIP200的液-液相分离（LLPS），进而控制其在自噬体形成中的功能。研究人员首先发现，在CaMKIIβ 敲除细胞系中FIP200标记的自噬起始位点、WIPI2标记的隔离膜和LC3标记的自噬体结构的数目显著减少；电镜也观察到CaMKIIβ 敲除细胞中出现少量小的自噬体结构。这表明CaMKIIβ敲除显著抑制了自噬起始以及正常自噬体的形成。进一步使用多模态超分辨显微成像 (SIM) 分析自噬体的形成过程，发现在正常自噬体形成过程中，FIP200和WIPI2首先形成共定位的点状结构；之后随着隔离膜的延伸，FIP200和WIPI2延伸成新月形并逐渐扩大成环状结构；当自噬体闭合后，FIP200和WIPI2从自噬体上解离，最终消失，整个过程大约需要700秒。但在CaMKIIβ 敲除细胞中，自噬体的组装出现明显缺陷，FIP200和WIPI2点状结构不能延伸，或者FIP200和WIPI2信号在自噬结构上持续存在，表明隔离膜（IMs）未能闭合。电镜结果也显示CaMKIIβ 敲除细胞中累积了小的未闭合的自噬结构（图1）。这些结果表明，CaMKIIβ调控FIP200点状结构的形成，以及构成有功能的自噬起始位点。图1.正常细胞和CaMKIIβ 敲除细胞中的自噬体结构接着，研究人员利用multiSIM显微成像研究CaMKIIβ调控FIP200组装的具体机制。在正常培养条件下，CaMKIIβ附着在肌动蛋白丝上，呈现出纤维状结构；但在饥饿条件下，CaMKIIβ的纤维状结构断裂，汇聚成点状结构，点的大小和数量随着饥饿时间的延长而逐渐增多。随后，FIP200的点状聚集体也出现在CaMKIIβ点状结构的附近，信号逐渐增强。最后，FIP200聚集体从CaMKIIβ点状结构上脱离，定位于内质网上并构成自噬起始位点（图2）。
图2. 纤维状CaMKIIβ响应饥饿形成点状CaMKIIβ，并作为FIP200凝聚体的形成位点
随后，研究人员发现，CaMKIIβ可以与FIP200直接结合，并将其磷酸化。通过质谱分析，鉴定出了FIP200的三个关键的磷酸化位点（Thr269、Thr1127和Ser1484）。通过对这三个位点进行模拟去磷酸化后，发现这三个位点的磷酸化对于FIP200的相分离以及组装成有功能的自噬起始位点至关重要。而这三个位点的模拟磷酸化突变体，可以促进FIP200复合物组装成有功能的自噬起始位点，并挽救CaMKIIβ敲除细胞中自噬缺陷的表型，进一步证明CaMKIIβ通过磷酸化FIP200在自噬起始中发挥作用。最后，研究人员发现敲除CaMKIIβ会抑制自噬诱导过程中内质网表面Ca2+瞬变的幅度、持续时间和传播。这表明CaMKIIβ可在内质网-细胞质界面发挥作用，调节由自噬诱导触发的内质网Ca2+瞬变。
图3. 钙调素依赖性蛋白激酶II β解码Ca2+瞬变模式图综上，这项研究揭示了CaMKIIβ通过磷酸化FIP200调节其通过液-液相分离形成凝聚体，进而调节自噬体形成（图3）。CaMKIIβ还控制自噬诱导过程中内质网Ca2+瞬变的幅度、持续时间和传播。而且在神经发育障碍（MRD54）病人中发现的CaMKIIβ突变也能引起自噬缺陷，提示自噬活性异常可能是导致该类疾病发生发展的重要原因。该工作表明CaMKIIβ在维持和解码内质网Ca2+瞬变以诱导自噬体形成过程中至关重要。中国科学院生物物理研究所张宏研究员为该论文通讯作者，北京大学医学部郑巧霞研究员和中国科学院生物物理研究所博士研究生张焕为论文的共同第一作者。https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(24)01000-1
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1. Bredow, M., and Monaghan, J. (2022). Cross-kingdom regulation of calcium- and/or calmodulin-dependent protein kinases by phospho-switches that relieve autoinhibition. Curr. Opin. Plant Biol. 68, 102251.2. Takemoto-Kimura, S., Suzuki, K., Horigane, S.I., Kamijo, S., Inoue, M., Sakamoto, M., Fujii, H., and Bito, H. (2017). Calmodulin kinases: essential regulators in health and disease. J. Neurochem. 141, 808-818.3. Berridge, M.J., Lipp, P., and Bootman, M.D. (2000). The versatility and universality of calcium signalling. Nat. Rev. Mol. Cell Bio. 1, 11-21.4. Bootman, M.D., and Bultynck, G. (2020). Fundamentals of cellular calcium signaling: a primer. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 12, a038802.5. Dupont, G., and Goldbeter, A. (1998). CaM kinase II as frequency decoder of Ca2+ oscillations. Bioessays 20, 607-610.6. De Koninck, P., and Schulman, H. (1998). Sensitivity of CaM kinase II to the frequency of Ca2+ oscillations. Science 279, 227-230.7. Yasuda, R., Hayashi, Y., and Hell, J.W. (2022). CaMKII: a central molecular organizer of synaptic plasticity, learning and memory. Nat. Rev. Neurosci. 23, 666-682.8. Zheng, Q.X., Chen, Y., Chen, D., Zhao, H.Y., Feng, Y., Meng, Q., Zhao, Y., and Zhang, H. (2022). Calcium transients on the ER surface trigger liquid-liquid phase separation of FIP200 to specify autophagosome initiation sites. Cell 185, 4082-4098.
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