ULK1-ATG13及其磷酸化在细胞周期中的调控与功能

Autophagy is a conserved degradation pathway in eukaryotic cells, and cell cycle is the whole process of cellular activity. Autophagy and cell cycle have close correlation and their dysfunction is related to the drug resistance of the tumor, while drug combination can significantly improve the therapeutic effect. Recent studies have shown that some autophagy-related proteins regulate cell cycle, but the function of ULK1-ATG13, the only protein kinase complex in autophagy, remains unclear during the cell cycle. We recently found that ULK1 and ATG13 double-knockout significantly inhibited cell cycle progression and tumor cell proliferation; and CDK1 mediated the highly specific phosphorylation of ULK1 and ATG13 in mitosis. Using CRISPR/Cas9, mouse tumor model, flow cytometry, live cell imaging, mass spectrometry and site-directed mutagenesis, the project aims to: further investigate ULK1-ATG13 regulation in cell cycle and function in tumor formation and proliferation; identify the phosphorylation sites for ULK1 and ATG13 by CDK1 and explore their function in mitosis and autophagy. The project findings will not only bridge the mutual regulation between autophagic and mitotic key kinases, but also provide theoretical basis for autophagy and cell division related diseases based on combination therapy.

自噬是真核细胞中保守的降解途径，细胞周期是细胞生命活动的全过程。自噬与细胞周期密切相关，并且其功能紊乱都与肿瘤的药物抵抗有关，而联合用药能显著提高治疗效果。已有研究表明，一些自噬相关蛋白调控细胞周期，但是，自噬中唯一的蛋白激酶复合物ULK1-ATG13在细胞周期中的功能尚不清楚。我们近期发现ULK1和ATG13双敲除显著抑制细胞周期进程和肿瘤细胞增殖，而且CDK1介导ULK1和ATG13在分裂期发生高度特异性磷酸化。本项目将结合CRISPR/Cas9、小鼠肿瘤模型、流式细胞术、活细胞成像、质谱及点突变等方法，深入探究ULK1-ATG13在细胞周期中的调控与在肿瘤形成、增殖中的作用；鉴定CDK1调控ULK1和ATG13的特异性磷酸化位点，并探究其在有丝分裂和自噬中的功能。本项目研究结果，不仅将架起自噬和有丝分裂重要激酶相互调控的桥梁，也有望为自噬和细胞分裂相关疾病的联合治疗提供理论基础。

自噬是进化上保守的细胞内降解过程，通过降解受损的蛋白、细胞器和细胞质以维持机体稳态。ULK1-ATG13是哺乳动物细胞中自噬起始关键蛋白复合物，在营养和能量应激时，mTOR和AMPK通过直接磷酸化ULK1-ATG13复合物而诱导自噬。越来越多证据表明自噬和细胞周期之间有密切的相互调控，而且有丝分裂中自噬应该受到严格控制，以避免对有丝分裂中裸露的细胞器造成破坏。然而，有丝分裂中自噬活性调控的分子机制目前知之甚少。我们发现在有丝分裂中，细胞周期引擎分子CDK1可以直接磷酸化ULK1-ATG13复合物，以调控有丝分裂进程和自噬。CDK1磷酸化ULK1的主要磷酸化位点是丝氨酸第622位、苏氨酸第635位和苏氨酸第653位，而这些磷酸化位点不同于mTOR和AMPK磷酸化ULK1的位点。CDK1诱导ULK1磷酸化可以促进进入有丝分裂和ULK1结合cyclin B1，抑制自噬潮和ULK1结合ATG13。双敲除ULK1和ATG13通过抑制细胞周期进程，而显著抑制癌细胞HeLa增殖。我们的结果表明ULK1-ATG13复合物在有丝分裂中的调控模式，及其在细胞周期进程、有丝分裂期自噬中的新功能。除此之外，我们还发现ULK1抑制剂诱导纺锤体微管组织紊乱，并抑制组蛋白H3在第10位丝氨酸位点磷酸化。我们的发现不仅能将自噬核心机器与细胞周期引擎分子联系起来，而且揭示了ULK1/ATG13复合物在癌症治疗中的潜在效力。

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