越来越多的证据表明，许多自噬相关（ATG）蛋白除在自噬中发挥经典功能外，还具有非经典功能，尤其当它们定位于细胞质以外的亚细胞隔室时。尽管自噬相关蛋白4B（ATG4B，一种半胱氨酸肽酶）的自噬功能已较为明确，但其潜在的非经典作用——尤其在代谢应激条件下——仍很大程度上尚未被探索。
2025年9月19日，暨南大学刘波和鞠振宇共同通讯在Autophagy（IF=14.6）在线发表题为“Non-canonical role of ATG4B in PRMT1-mediated DNA repair and leukemia progression”的研究论文。该研究表明，能量剥夺可诱导ATG4B发生不依赖于自噬的核转位。
在细胞核内，ATG4B与蛋白精氨酸甲基转移酶1（PRMT1）发生相互作用并对其进行切割，从而减少PRMT1介导的DNA修复核酸酶MRE11的甲基化，进而损害DNA修复。值得注意的是，ATG4B在急性髓系白血病（AML）中显著上调，并表现出明显的核聚集现象。在AML细胞中通过基因敲低或药物抑制ATG4B，可恢复DNA修复能力、激活细胞周期检查点激酶CHEK1/CHK1、减缓恶性进展，并最终延缓白血病进程。这些发现揭示了核定位ATG4B的一种不依赖于自噬的功能，该功能将代谢应激与DNA修复抑制联系起来，并确定ATG4B作为AML中潜在的治疗靶点。
巨自噬（以下简称自噬）是一种保守的细胞过程，能够降解并回收细胞组分和受损细胞器，是细胞抵抗应激和维持稳态的关键机制。自噬主要发生于细胞质中，然而越来越多的证据表明，许多自噬相关（ATG）蛋白定位于多种亚细胞隔室，并发挥非经典功能。例如，自噬启动的关键调控因子BECN1在辐射诱导DNA损伤后发生核转位，并在不依赖自噬活性的情况下促进DNA修复。同样，通过与BECN1和III类PtdIns3K复合物的交互作用促进自噬体成熟的UVRAG（抗紫外线辐射相关基因）也可定位于细胞核，并参与DNA修复。这些现象提示ATG蛋白可在细胞质外执行不依赖于自噬的功能。ATG4B是一种半胱氨酸蛋白酶，在自噬中发挥经典作用，包括加工微管相关蛋白1轻链3前体（pro-MAP1LC3；pro-LC3）以生成LC3-I，促进LC3-I与磷脂酰乙醇胺（PE）脂化形成LC3-II，以及将LC3-II从PE上去脂化以实现回收利用。尽管这些经典功能已明确，但ATG4B是否在自噬之外还具有其他非经典作用尚不清楚。作者最近的研究表明，能量缺失诱导了不依赖于自噬的ATG4B核转位。核内的ATG4B可抑制PRMT1介导的DNA修复并促进急性髓系白血病（AML）进展，揭示了ATG4B在DNA修复和肿瘤进展中的非经典作用。
为探究ATG4B在细胞代谢中的作用，作者对细胞进行营养剥夺处理并监测其亚细胞定位。正常条件下，ATG4B主要定位于细胞质，而饥饿处理导致其显著聚集于细胞核，表明ATG4B在代谢应激下发生核转位。为明确何种饥饿相关应激源驱动该过程，作者分别检测了能量剥夺、蛋白质合成抑制及DNA损伤对ATG4B核聚集的诱导作用。结果显示能量剥夺可强烈诱导ATG4B核转位。鉴于ATG4B在自噬中的关键作用，作者进一步探究其核转位是否依赖自噬通路。在营养充足条件下使用MTOR抑制剂torin1诱导自噬并不能引发ATG4B核转位；相反，在饥饿条件下使用AMPK抑制剂compound C抑制自噬并不改变饥饿诱导的ATG4B核转位。此外，在回补核输出信号（NES）标记的ATG4B（该突变体可阻止持续性核转位）的ATG4B基因敲除细胞中，自噬活动未受影响。这些结果共同表明ATG4B的核转位不依赖于自噬，提示其在细胞核内可能具有超越该通路的功能。
为验证核内ATG4B是否具有功能，作者在HEK293细胞中外源性表达了核定位信号（NLS）融合的ATG4B构建体。出乎意料的是，过表达NLS-ATG4B的细胞表现出显著的核异常，包括核形态不规则、微核及多核细胞频率显著增加，提示核定位的ATG4B与基因组不稳定性相关。为证实这一发现，作者检测了过表达NLS-ATG4B细胞中的DNA损伤与断裂水平，确认核定位ATG4B导致二者显著增加。为进一步阐明核内ATG4B如何导致DNA损伤累积，作者用化疗药物依托泊苷处理细胞后撤药以允许修复。过表达NLS-ATG4B细胞的DNA修复能力显著受损。这些结果共同证明核内ATG4B损害DNA修复，导致DNA损伤积累并最终促进基因组不稳定性。
为揭示ATG4B影响DNA修复的分子机制，作者通过免疫共沉淀联合质谱分析鉴定了ATG4B的相互作用蛋白。在DNA修复相关蛋白中，PRMT1与ATG4B的交互作用最为显著。该交互作用经免疫共沉淀和GST亲和分离实验进一步验证。值得注意的是，该交互主要发生于细胞核内，因为细胞质中的ATG4B与PRMT1结合能力明显弱于核内形式。鉴于ATG4B为半胱氨酸蛋白酶，作者纯化了重组ATG4B和PRMT1以体外评估ATG4B是否切割PRMT1。研究发现ATG4B确实对PRMT1具有蛋白酶活性，导致细胞内核PRMT1水平降低。由于DNA修复核酸酶MRE11的功能依赖PRMT1介导的甲基化修饰，作者进一步证明核内ATG4B通过降低核PRMT1水平抑制MRE11甲基化，从而损害DNA修复。
为探究核内ATG4B是否促进肿瘤进展，作者分析了涵盖33种癌症类型的公共数据库，发现ATG4B在AML中表达上调最为显著。进一步分析显示ATG4B在多种AML核型亚型中均表达升高，且高表达与不良预后密切相关。因此作者研究了ATG4B在AML发病机制中的作用。值得注意的是，AML细胞显示ATG4B核聚集显著增加，同时伴有PRMT1水平相应降低，提示核内ATG4B可能参与AML进展。为验证该假设，作者在AML细胞中使用ATG4B抑制剂并进行基因敲降。抑制ATG4B可增强DNA修复能力、激活细胞周期检查点激酶CHEK1、抑制白血病细胞增殖，并最终延长AML模型小鼠的生存期。此外，在连续移植实验中，ATG4B敲降减弱了AML细胞的恶性演进。全基因组测序也显示ATG4B缺陷的AML细胞中基因组变异大幅减少。值得注意的是，无论是ATG4B敲降还是抑制剂处理均未改变白血病细胞的基础自噬活性，表明ATG4B在该背景下具有功能冗余性。
总之，该研究揭示细胞能量缺失驱动ATG4B从细胞质向细胞核转位，进而通过蛋白酶解切割PRMT1损害DNA修复。ATG4B在AML细胞中显著上调且核聚集增加。抑制ATG4B可诱导白血病细胞周期阻滞、延缓恶性演进，并最终延长AML小鼠模型的生存期。该研究揭示了ATG4B在DNA修复和AML进展中的非经典作用，凸显了其作为AML治疗靶点的潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1080/15548627.2025.2564225