自噬基因解码丨自噬的重要效应蛋白--WIPI家族

自噬是真核细胞中高度保守的稳态调控机制，通过降解胞内受损组分（如细胞器、错误折叠蛋白及代谢废物等），实现营养物质的循环利用与细胞存活调控。在上一期内容中，我们从自噬的起源、分类、相关基因、诱导方式及检测手段等方面，系统介绍了自噬的核心概念与研究方法。在自噬过程中，吞噬泡的形成、延伸、成熟及其与溶酶体的融合，需要一系列自噬相关蛋白（ATG）的协同作用。其中，WD重复域磷脂相互作用蛋白（WD-repeat protein Interacting with PhosphoInositides,WIPI）家族作为关键效应分子，凭借其磷脂结合能力介导蛋白复合物的组装与膜转运，成为连接自噬信号通路与膜动力学的重要枢纽。本期将重点介绍WIPI家族基因的功能与调控机制。

WIPI家族基因的核心特征与分类[1,2,3]

WIPI家族蛋白属于PROPPIN（β-螺旋桨结合多磷酸肌醇）家族成员，该家族蛋白在自噬与膜转运过程中发挥核心调控作用，能够特异性识别并结合磷脂酰肌醇磷酸（PtdInsP），从而锚定于细胞内膜系统，并招募下游效应分子。在哺乳动物中，WIPI家族包含4个旁系同源基因（WIPI1/ATG18A、WIPI2、WIPI3/WDR45B、WIPI4/WDR45），各成员均具有由WD40重复序列构成的7叶β-螺旋桨结构，该结构为其执行蛋白-蛋白和蛋白-脂质相互作用提供了稳定的结构平台。

在结构上，WIPI蛋白的β-螺旋桨第5至第6叶之间含有一个保守的FRRG/LRRG基序，是该家族特异性结合PtdInsP的关键结构域，决定了其在细胞内膜系统中的定位特性，并参与自噬、内体再循环及高尔基体相关膜转运等多种生理过程。此外，部分WIPI成员因可变剪接产生多种亚型，其结构差异影响功能特异性和组织表达模式。

图1. 人源WIPI基因的β-螺旋桨结构[2]

>WIPI家族基因在真核生物中高度保守，进化上可分为两个旁系同源亚组，其进化差异决定了功能的分化。亚组1包含WIPI1与WIPI2，同源于酵母中的Atg18与Atg21，核心功能是参与经典自噬过程，介导吞噬泡的延伸与成熟；亚组2包含WIPI3（WDR45B）与WIPI4（WDR45），同源于酵母中的Hsv2，更侧重于调控非经典自噬、高尔基体相关膜降解及神经元特异性膜转运过程。这种进化上的分化的使得WIPI家族能够协同调控细胞内多种膜相关生理过程，维持细胞稳态。

WIPI家族各成员的功能及作用机制[3]

WIPI1（ATG18A）

WIPI1是WIPI家族中最早被鉴定的成员，其核心功能依赖于与PtdIns(3)P、PtdIns(3,5)P2的特异性结合，进而定位于细胞内的吞噬泡和内体膜上。与WIPI2不同，WIPI1并非基础自噬过程所必需，但可通过调控自噬通量参与自噬过程的精细调控，尤其在营养充足或自噬被轻度激活的状态下，其作用更为显著。

在非自噬膜转运过程中，WIPI1参与内体再循环通路，尤其在转铁蛋白受体的回收过程中发挥重要作用，通过介导内体膜的裂变与融合，维持细胞内铁离子的稳态平衡。此外，WIPI1还可与Retromer复合物相互作用，参与溶酶体相关膜蛋白的回收与转运，维持溶酶体的正常功能。从调控机制来看，WIPI1的活性受PI3K-III复合物的调控，其磷酸化修饰可影响其与磷脂的结合能力及细胞内定位，进而调控其功能的发挥。

WIPI2（ATG18B）

WIPI2是WIPI家族中唯一被证实为自噬必需的分子，其功能贯穿于经典自噬过程的多个关键环节，尤其在吞噬泡的延伸、自噬体的形成过程中发挥核心作用。WIPI2通过其β-螺旋桨结构中的FRRG基序结合PtdIns(3)P，定位于吞噬泡膜上，随后与ATG2蛋白形成稳定的复合物，该复合物是吞噬泡膜延伸与脂质转运的关键载体。

近年来的研究进一步揭示了WIPI2的作用机制，WIPI2的主要亚型WIPI2b可通过双结合位点模式招募并激活ATG12-ATG5-ATG16L1复合物，其中ATG16L1的卷曲螺旋结构域上存在两个WIPI2b结合位点（WBS1、WBS2），二者竞争结合WIPI2b的同一口袋，但可形成2:4的化学剂量比复合物，其中WBS2位点在酵母和哺乳动物中高度保守，是自噬正常进行所不可或缺的，而WBS1位点仅存在于哺乳动物中，可进一步促进自噬通量的提升。

在非自噬功能方面，WIPI2参与内体-质膜的回收过程，尤其在整合素β1的循环转运中发挥重要作用，通过调控整合素β1在细胞膜上的表达水平，影响细胞的黏附与迁移能力。

图2. WIPI基因在自噬溶酶体形成中的功能[3]

WIPI3（WDR45B）

WIPI3属于WIPI家族亚组2，同源于酵母中的Hsv2，其核心功能侧重于非经典自噬及高尔基体相关膜过程的调控。WIPI3在正常人体组织中广泛表达，初始的表达分析发现，其在卵巢癌、子宫癌和肾癌中存在异常表达，提示其可能和肿瘤的发生发展密切相关。

WIPI3的核心功能之一是参与高尔基体膜相关降解通路，该通路是一种非经典自噬相关的膜降解途径，通过从高尔基体生成自噬相关结构，介导高尔基体来源的异常蛋白或膜结构的降解。此外，WIPI3还可调控神经元轴突的生长与延伸，通过与细胞骨架相关蛋白的相互作用，介导轴突膜的转运与重塑，维持神经元的正常形态与功能。从调控机制来看，WIPI3可与WIPI4协同作用，共同参与神经元特异性的膜转运过程，其活性可能受磷酸化修饰的调控，但具体调控机制尚未完全阐明。

WIPI4（WDR45）[3,6,7]

WIPI4与WIPI3同属亚组2，是X连锁编码蛋白，其核心功能与自噬过程的成熟阶段及神经元稳态调控密切相关。WIPI4可通过结合PtdIns(3)P定位于吞噬泡膜上，参与吞噬泡的成熟与溶酶体的融合过程。近年来的研究发现，WIPI4可与ATG2A相互作用，通过稳定ATG2A在自噬体膜上的定位，协助ATG2A介导内体与自噬体之间的脂质转运，促进自噬体的膜延伸与闭合，这一过程需ANKFY1的协助，ANKFY1可通过其FYVE结构域结合富含PtdIns(3)P的脂质体，帮助ATG2A锚定在膜表面，进而增强WIPI4与ATG2A的协同作用。

由于WIPI4在神经元中特异性高表达，其功能异常对神经系统的影响尤为显著。WIPI4可调控神经元的突触功能与轴突稳态，通过参与突触囊泡的转运与回收，维持突触传递的正常进行，其表达异常可导致突触功能障碍，进而引发神经元损伤。此外，WIPI4还参与线粒体自噬过程，通过介导受损线粒体的识别与降解，维持神经元内线粒体的稳态，减少活性氧的积累，避免神经元凋亡。

WIPI4是目前WIPI家族中与疾病关联最为明确的成员，其X连锁显性突变可导致BPAN（β-螺旋桨蛋白相关神经退行性变），该疾病是一种进行性神经退行性疾病，儿童期主要表现为发育迟缓、运动障碍、癫痫，成年后逐渐进展为帕金森样症状，其发病机制主要与WIPI4突变导致的自噬障碍、神经元凋亡有关。此外，WIPI4的表达异常还与阿尔茨海默病、帕金森病等其他神经退行性疾病相关，推测其可能通过调控自噬通量，影响异常蛋白的聚集与降解，进而参与疾病的发病过程。

图3. WIPI4基因突变对细胞功能的影响[7]

图4. WIPI4基因突变与BPAN的关系[2]

WIPI家族基因的共同作用机制与调控网络

自噬核心通路中的协同作用[4,5]

WIPI家族4个成员虽功能存在分化，但在自噬过程中形成协同调控网络，其核心共性是通过与磷脂酰肌醇磷酸的特异性结合，实现细胞内的膜定位，进而介导自噬相关蛋白复合物的组装与功能发挥。在经典自噬过程中，PI3K-III复合物激活后产生PtdIns(3)P，WIPI2首先结合PtdIns(3)P定位于吞噬泡膜上，与ATG2形成复合物，介导吞噬泡膜的延伸与脂质转运；随后WIPI2招募ATG16L1复合物，促进ATG8-PE偶联，推动自噬体的形成与成熟。

WIPI1虽非自噬必需，但可通过调控自噬通量，协同WIPI2维持自噬过程的稳定；WIPI4则主要参与吞噬泡的成熟与溶酶体的融合，通过与ATG2A、ANKFY1的协同作用，促进自噬体膜的延伸与闭合，确保自噬底物的有效降解；WIPI3则通过高尔基体膜相关降解通路，从高尔基体生成自噬相关结构，为自噬过程提供膜来源，尤其在经典自噬受抑制时，其非经典自噬调控作用更为显著。

图5. WIPI蛋白在自噬中的作用[7]

非自噬膜转运过程中的协同作用[4,5]

除自噬通路外，WIPI家族成员还广泛参与细胞内的非自噬膜转运过程，形成协同调控网络，维持细胞内的膜稳态与信号传导。WIPI1主要参与内体再循环与Retromer介导的膜转运，WIPI2参与内体-质膜的回收过程，二者协同维持内体系统的正常功能；WIPI3与WIPI4则主要参与高尔基体相关膜转运与神经元特异性膜过程，二者协同调控神经元轴突生长与突触功能，维持神经系统的正常发育与稳态。

整体调控网络

WIPI家族基因的功能发挥受多种信号通路与修饰方式的调控，形成复杂的调控网络。从上游调控来看，PI3K-III复合物是核心调控因子，其激活后产生的PtdIns(3)P可介导所有WIPI家族成员的膜定位，进而激活其功能；此外，P38-ULK1-PI4KB轴可通过调控PtdIns(4)P的产生，影响WIPI2在非经典自噬中的功能发挥，尤其在RAS突变肿瘤中，这一调控轴的异常激活是导致非经典自噬紊乱的关键原因。在蛋白修饰层面，磷酸化、泛素化是调控WIPI家族成员活性的主要方式，例如，WIPI1的Ser395位点磷酸化可增强其与PtdIns(3)P的结合能力，促进其在吞噬泡上的定位；而WIPI4的泛素化修饰可介导其自身降解，进而调控自噬通量的动态平衡。

此外，WIPI家族成员还可与多种调控因子形成相互作用网络，例如，WIPI2可与Beclin1、Vps34等PI3K-III复合物成员相互作用，促进PI3K-III复合物的激活与膜定位；WIPI4可与转录因子EB（TFEB）相互作用，TFEB作为自噬与溶酶体生物发生的核心调控因子，可通过调控WIPI4的转录表达，形成负反馈调控回路，维持自噬过程的稳态。同时，miRNA也参与WIPI家族基因的转录后调控，如miR-18a-5p可靶向抑制WIPI2的表达，减少自噬体的形成，进而促进肿瘤细胞的增殖与转移；miR-34a可调控WIPI4的表达，参与神经元凋亡的调控，其表达异常与神经退行性疾病密切相关。

近年来，随着基因编辑与蛋白结构解析等技术的发展，WIPI家族基因的功能研究持续深入。现有研究表明，WIPI不仅是自噬通路中的必需调控因子，还广泛参与内体再循环、受体回收、神经元发育等非自噬性生理过程，该家族基因的变异与多种遗传性疾病及肿瘤预后密切相关。未来，仍需深入解析WIPI家族的分子机制与调控网络，明确各成员及其亚型的功能特异性，揭示其在疾病中的致病机制，推动相关生物标志物与治疗药物的研发。

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表1. 汉恒生物WIPI家族基因现货

参考文献：

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