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首次揭示溶酶體修復(fù)的核心機(jī)制，理解衰老更近一步
來(lái)源：轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng) 瀏覽 908 次 發(fā)布時(shí)間:2022-09-13
導(dǎo)讀：近幾十年來(lái)，已有諸多研究發(fā)現(xiàn)了溶酶體的重要功能——參與細(xì)胞免疫、營(yíng)養(yǎng)感知、清除受損細(xì)胞組分、降解生物大分子等諸多細(xì)胞活動(dòng)。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(lái)鮮有研究對(duì)溶酶體的修復(fù)機(jī)制進(jìn)行深入探索。近日，科學(xué)家們首次揭示了溶酶體修復(fù)的核心機(jī)制——該機(jī)制將引領(lǐng)人們進(jìn)一步探索眾多與衰老相關(guān)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(lái)自匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系的譚小軍博士與衰老研究所所長(zhǎng)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(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域研究論文。研究者們通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，首次描述了一種溶酶體修復(fù)的核心途徑：PITT途徑（phosphoinositide-initiated membrane tethering and lipid transport）。通過(guò)該途徑，細(xì)胞能快速修復(fù)已受損的溶酶體。該發(fā)現(xiàn)將協(xié)助人們進(jìn)一步了解和治療由溶酶體受損驅(qū)動(dòng)的與年齡相關(guān)的疾病。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05164-4
細(xì)胞的“自殺口袋”——溶酶體
01
20世紀(jì)50年代，現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)創(chuàng)始人之一、諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Christian de Duve教授首次發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物細(xì)胞中的“溶酶體”（lysosomes），并且一度稱之為細(xì)胞的“自殺口袋”：這種細(xì)胞器含有大量水解酶，可降解細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)等生物大分子；由此可能在細(xì)胞自殺過(guò)程中發(fā)揮作用。隨著近幾十年來(lái)對(duì)溶酶體的進(jìn)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(xì)胞免疫、營(yíng)養(yǎng)感知、清除受損細(xì)胞組分等細(xì)胞活動(dòng)。由此，溶酶體自身的損傷及活性下降，在細(xì)胞衰老、人類疾病中扮演著至關(guān)重要的角色。
該研究論文的第一作者、來(lái)自匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)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(biāo)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(fù)的核心機(jī)制，將幫助我們進(jìn)一步研究正常衰老、與衰老相關(guān)的疾病。”
溶酶體修復(fù)核心機(jī)制——PITT途徑
02
之前的研究普遍認(rèn)為，細(xì)胞中存在兩種潛在的溶酶體修復(fù)機(jī)制——溶酶體自噬（lysophagy）介導(dǎo)的間接修復(fù)；以及內(nèi)體分選復(fù)合物（ESCRT）介導(dǎo)的直接膜孔修復(fù)。然而，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在缺乏上述兩種機(jī)制的情況下，溶酶體損傷仍然能夠被快速修復(fù)；這不禁讓人猜測(cè)，細(xì)胞中還存在更重要的修復(fù)途徑來(lái)治愈溶酶體損傷。
首先，研究者用生物素對(duì)溶酶體表面的所有蛋白進(jìn)行了標(biāo)記，然后通過(guò)組學(xué)方法來(lái)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(huì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，隨后導(dǎo)致脂質(zhì)信號(hào)PI4P（磷脂酰肌醇4-磷酸）大量富集于溶酶體表面。
蛋白組學(xué)揭示受損溶酶體表面的PI4P信號(hào)：
b.蛋白組學(xué)分析溶酶體表面蛋白；
c.受損溶酶體PI4P信號(hào)示意圖。
PI4P信號(hào)觸發(fā)了“警報(bào)系統(tǒng)”，有選擇性地對(duì)受損溶酶體進(jìn)行標(biāo)記。這將進(jìn)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(xì)胞中最大的膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞器，負(fù)責(zé)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(lái)。
在一般的情況下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體幾乎不會(huì)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(huì)“相互擁抱”。譚小軍博士表示，這可能是目前觀察到的最強(qiáng)的細(xì)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(xì)胞核以藍(lán)色顯示。
通過(guò)這種“擁抱”，ORP家族蛋白作為脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)送到溶酶體，以促進(jìn)溶酶體膜的修復(fù)。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(fù)。膽固醇含量上升可以提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，這可能預(yù)示膽固醇或許直接參與溶酶體修復(fù)。然而，PS并沒(méi)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(dǎo)溶酶體修復(fù)，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(yùn)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(yùn)蛋白。ATG2就像一座橋梁，將大量脂質(zhì)運(yùn)送到溶酶體，直接修復(fù)溶酶體膜，在新發(fā)現(xiàn)的這一修復(fù)途徑中完成最后一步。
研究者表示：“ATG2有一個(gè)經(jīng)典的功能，即轉(zhuǎn)運(yùn)脂質(zhì)介導(dǎo)自噬體的形成。自噬和溶酶體修復(fù)都依賴于ATG2的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能，但兩個(gè)過(guò)程相互獨(dú)立，互不影響。”通過(guò)在溶酶體表面過(guò)表達(dá)ATG2的一個(gè)片段，研究人員選擇性地阻斷了內(nèi)源性ATG2介導(dǎo)的溶酶體修復(fù)，發(fā)現(xiàn)ATG2在自噬中的作用并未受此影響。
細(xì)胞快速修復(fù)溶酶體損傷的統(tǒng)一核心機(jī)制：PITT途徑
對(duì)理解衰老、衰老相關(guān)疾病的意義
03
綜上，此研究發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞快速修復(fù)溶酶體損傷的核心機(jī)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(hào)PI4P；而這一信號(hào)推動(dòng)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體間的強(qiáng)烈互作，進(jìn)而激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向溶酶體的多重脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。
Finkel博士說(shuō)表示：“這個(gè)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(guò)去并不知道它們會(huì)相互合作以及在溶酶體修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮作用。這些發(fā)現(xiàn)將對(duì)理解正常衰老和與衰老相關(guān)的疾病產(chǎn)生重要意義?！?
作者發(fā)現(xiàn)，多種不同機(jī)制導(dǎo)致的溶酶體損傷，都能激活PITT途徑。由此推測(cè)，在健康人體內(nèi)，溶酶體膜的小破損會(huì)通過(guò)PITT途徑迅速得到修復(fù)。然而，當(dāng)損傷過(guò)度時(shí)——由于衰老或疾病等因素導(dǎo)致修復(fù)途徑受阻，破損的溶酶體會(huì)積聚在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)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(kuò)散是疾病進(jìn)展的關(guān)鍵步驟。此研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)敲除了編碼PITT途徑中第一個(gè)酶PI4K2A的基因，發(fā)現(xiàn)tau纖維的侵襲擴(kuò)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(jìn)程。
在未來(lái)，研究者計(jì)劃開(kāi)發(fā)小鼠模型，以了解激活PITT途徑能否保護(hù)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(xué)研究進(jìn)展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導(dǎo)，請(qǐng)至正規(guī)醫(yī)院就診。