導讀：近幾十年來，已有諸多研究發(fā)現(xiàn)了溶酶體的重要功能——參與細胞免疫、營養(yǎng)感知、清除受損細胞組分、降解生物大分子等諸多細胞活動。因此，溶酶體本身的損傷及活性下降，在衰老和疾病中扮演著重要角色；但一直以來鮮有研究對溶酶體的修復機制進行深入探索。近日，科學家們首次揭示了溶酶體修復的核心機制——該機制將引領人們進一步探索眾多與衰老相關的疾病，尤其是包括阿爾茨海默病在內(nèi)的神經(jīng)退性疾病。

9月7日，來自匹茲堡大學醫(yī)學院細胞生物學系的譚小軍博士與衰老研究所所長Toren Finkel博士在《自然》（Nature）雜志發(fā)表了一篇題為“A phosphoinositide signalling pathway mediates rapid lysosomal repair”的細胞生物學領域研究論文。研究者們通過一系列實驗，首次描述了一種溶酶體修復的核心途徑：PITT途徑（phosphoinositide-initiated membrane tethering and lipid transport）。通過該途徑，細胞能快速修復已受損的溶酶體。該發(fā)現(xiàn)將協(xié)助人們進一步了解和治療由溶酶體受損驅(qū)動的與年齡相關的疾病。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05164-4

細胞的“自殺口袋”——溶酶體

01

20世紀50年代，現(xiàn)代細胞生物學創(chuàng)始人之一、諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主Christian de Duve教授首次發(fā)現(xiàn)了動物細胞中的“溶酶體”（lysosomes），并且一度稱之為細胞的“自殺口袋”：這種細胞器含有大量水解酶，可降解細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)等生物大分子；由此可能在細胞自殺過程中發(fā)揮作用。隨著近幾十年來對溶酶體的進一步探索，人們已發(fā)現(xiàn)溶酶體的諸多其他重要功能——例如，參與細胞免疫、營養(yǎng)感知、清除受損細胞組分等細胞活動。由此，溶酶體自身的損傷及活性下降，在細胞衰老、人類疾病中扮演著至關重要的角色。

該研究論文的第一作者、來自匹茲堡大學醫(yī)學院的譚小軍博士表示：“溶酶體損傷是包括衰老在內(nèi)的許多疾病的標志，尤其像阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病。探索、理解溶酶體修復的核心機制，將幫助我們進一步研究正常衰老、與衰老相關的疾病。”

溶酶體修復核心機制——PITT途徑

02

之前的研究普遍認為，細胞中存在兩種潛在的溶酶體修復機制——溶酶體自噬（lysophagy）介導的間接修復；以及內(nèi)體分選復合物（ESCRT）介導的直接膜孔修復。然而，科學家發(fā)現(xiàn)，在缺乏上述兩種機制的情況下，溶酶體損傷仍然能夠被快速修復；這不禁讓人猜測，細胞中還存在更重要的修復途徑來治愈溶酶體損傷。

首先，研究者用生物素對溶酶體表面的所有蛋白進行了標記，然后通過組學方法來尋找溶酶體受損后，表面特異性富集的蛋白。此研究發(fā)現(xiàn)，溶酶體一旦受損，在短短幾分鐘后，一種叫PI4K2A的激酶就會到達現(xiàn)場，隨后導致脂質(zhì)信號PI4P（磷脂酰肌醇4-磷酸）大量富集于溶酶體表面。

蛋白組學揭示受損溶酶體表面的PI4P信號：

b.蛋白組學分析溶酶體表面蛋白；

c.受損溶酶體PI4P信號示意圖。

PI4P信號觸發(fā)了“警報系統(tǒng)”，有選擇性地對受損溶酶體進行標記。這將進一步招募ORP家族蛋白（包括ORP9/10/11和OSBP）——它們一端結(jié)合受損溶酶體上的PI4P，另一端結(jié)合在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞中最大的膜結(jié)構(gòu)細胞器，負責脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的合成。在ORP家族蛋白的幫助下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與受損溶酶體緊密地結(jié)合起來。

在一般的情況下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體幾乎不會接觸，或者僅有十分短暫的局部接觸；但此研究發(fā)現(xiàn)，一旦溶酶體受損，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體就會“相互擁抱”。譚小軍博士表示，這可能是目前觀察到的最強的細胞器間互作。

熒光顯微圖像顯示了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（綠色）像毯子一樣包裹住受損的溶酶體（紅色），細胞核以藍色顯示。

通過這種“擁抱”，ORP家族蛋白作為脂質(zhì)轉(zhuǎn)運體，繼而將膽固醇和一種叫做磷脂酰絲氨酸（PS）的脂質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運送到溶酶體，以促進溶酶體膜的修復。研究者發(fā)現(xiàn)，只要溶酶體上能富集膽固醇和PS中的一種，受損溶酶體就能得到快速修復。膽固醇含量上升可以提高細胞膜的穩(wěn)定性，這可能預示膽固醇或許直接參與溶酶體修復。然而，PS并沒有已知的提高生物膜穩(wěn)定性的功能。為了破解PS如何介導溶酶體修復，研究者們將目光投向了一系列可能被PS激活的大規(guī)模脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白。

他們發(fā)現(xiàn)，溶酶體上的PS激活了一種被稱為ATG2的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白。ATG2就像一座橋梁，將大量脂質(zhì)運送到溶酶體，直接修復溶酶體膜，在新發(fā)現(xiàn)的這一修復途徑中完成最后一步。

研究者表示：“ATG2有一個經(jīng)典的功能，即轉(zhuǎn)運脂質(zhì)介導自噬體的形成。自噬和溶酶體修復都依賴于ATG2的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運功能，但兩個過程相互獨立，互不影響。”通過在溶酶體表面過表達ATG2的一個片段，研究人員選擇性地阻斷了內(nèi)源性ATG2介導的溶酶體修復，發(fā)現(xiàn)ATG2在自噬中的作用并未受此影響。

細胞快速修復溶酶體損傷的統(tǒng)一核心機制：PITT途徑

對理解衰老、衰老相關疾病的意義

03

綜上，此研究發(fā)現(xiàn)了細胞快速修復溶酶體損傷的核心機制——溶酶體損傷促發(fā)了溶酶體表面的一種特殊脂質(zhì)信號PI4P；而這一信號推動了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體間的強烈互作，進而激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向溶酶體的多重脂質(zhì)轉(zhuǎn)運。

Finkel博士說表示：“這個系統(tǒng)的美妙之處在于，PITT途徑的所有參與蛋白都是已知的分子，但過去并不知道它們會相互合作以及在溶酶體修復過程中發(fā)揮作用。這些發(fā)現(xiàn)將對理解正常衰老和與衰老相關的疾病產(chǎn)生重要意義。”

作者發(fā)現(xiàn)，多種不同機制導致的溶酶體損傷，都能激活PITT途徑。由此推測，在健康人體內(nèi)，溶酶體膜的小破損會通過PITT途徑迅速得到修復。然而，當損傷過度時——由于衰老或疾病等因素導致修復途徑受阻，破損的溶酶體會積聚在細胞內(nèi)導致二次傷害。

以阿爾茨海默病為例，tau纖維突破溶酶體膜繼而侵襲擴散是疾病進展的關鍵步驟。此研究通過實驗敲除了編碼PITT途徑中第一個酶PI4K2A的基因，發(fā)現(xiàn)tau纖維的侵襲擴散急劇增加，這表明PITT途徑的缺陷可能加速阿爾茨海默病的進程。

在未來，研究者計劃開發(fā)小鼠模型，以了解激活PITT途徑能否保護小鼠免于患上阿爾茨海默病的發(fā)展。

參考資料：

https://phys.org/news/2022-09-pitt-pathway-scientists-cells-longevity-promoting.html

http://k.sina.com.cn/article_5895622040_15f680d9802001dr6m.html?display=0&retcode=0

注：本文旨在介紹醫(yī)學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規(guī)醫(yī)院就診。