今日《自然》：两位科学家首次揭示溶酶体修复的核心机制

今日，顶尖学术期刊《自然》在线发表了一篇细胞生物学领域的研究论文。这篇论文仅有两位作者——匹兹堡大学医学院细胞生物学系的谭小军（Jay Xiaojun Tan）博士和衰老研究所所长Toren Finkel博士，却通过一系列实验，揭示了一个与衰老和阿尔茨海默病等众多疾病有关的重要问题：溶酶体修复的核心机制。

上世纪50年代，现代细胞生物学领域的创始人之一、诺奖得主Christian de Duve教授首次发现了动物细胞中的“溶酶体”（lysosomes），并一度称之为细胞的“自杀口袋”，因为这种细胞器含有大量水解酶，可降解细胞内的蛋白质和其他大分子，因此可能在细胞自杀过程中发挥作用。

几十年来，随着科学家们的探索，人们现在已经知道，溶酶体具有许多其他重要功能。除了降解生物大分子，还在营养感知、清除受损细胞组分、细胞免疫等方面发挥着不可替代的作用。

而溶酶体本身的损伤和活性下降则在衰老和疾病中扮演着重要角色。“溶酶体损伤是衰老和许多疾病的标志，尤其是阿尔茨海默病等神经退行性疾病。”谭小军博士强调。因此，揭示溶酶体修复的核心机制，将对理解正常衰老和与衰老相关的疾病产生重大影响。

▲此次研究的两位作者：谭小军博士和Toren Finkel博士（图片来源：匹兹堡大学）

为了维持溶酶体的完整性，先前的研究普遍认为，细胞中存在两种潜在的溶酶体修复机制，即溶酶体自噬（lysophagy）介导的间接修复，以及内体分选复合物（ESCRT）介导的直接膜孔修复。然而，在缺乏这些机制的情况下，细胞仍然能够快速修复溶酶体损伤，表明细胞中存在更重要的修复途径。而在新研究中，两位科学家找到了这一关键途径。

为此，研究作者首先用生物素标记了溶酶体表面的所有蛋白，并通过组学方法寻找溶酶体受损后，表面特异性富集的蛋白。结果发现，一旦溶酶体受损，短短几分钟后，一种叫PI4K2A的激酶就会到达现场，进而导致了脂质信号PI4P（磷脂酰肌醇4-磷酸）在溶酶体表面大量富集。

▲蛋白组学揭示受损溶酶体表面的PI4P信号。a, 蛋白组学分析溶酶体表面蛋白。b, 受损溶酶体PI4P信号示意图。（图片来源：研究作者提供）

PI4P信号就像警报系统，选择性标记受损溶酶体。这一系统进一步招募一组ORP家族蛋白（包括ORP9/10/11和OSBP），它们一端结合受损溶酶体上的PI4P，另一端结合在内质网上。内质网是细胞中最大的膜结构细胞器，负责蛋白与脂质合成。就这样，在ORP家族蛋白的帮助下，受损溶酶体与内质网紧密结合起来。

通常情况下，内质网和溶酶体几乎不会接触或者只有很短暂的局部接触，但研究者发现一旦溶酶体受损，它们就会“相互拥抱”。“这可能是目前观察到的最强的细胞器间互作。”谭小军博士说。

▲荧光显微图像显示了内质网（绿色）像毯子一样包裹住受损的溶酶体（红色），细胞核以蓝色显示（图片来源：参考资料[3]；Credit: Jay Xiaojun Tan）

通过这种“拥抱”，ORP家族蛋白作为脂质转运体，进一步将胆固醇和一种叫做磷脂酰丝氨酸（PS）的脂质从内质网运送到溶酶体，以促进溶酶体膜的修复。

作者发现，只要溶酶体上能富集胆固醇和PS中的一种，受损溶酶体就能得到快速修复。胆固醇含量上升可以提高细胞膜的稳定性，这可能预示胆固醇或许直接参与溶酶体修复。然而，PS并没有已知的提高生物膜稳定性的功能。为了破解PS如何介导溶酶体修复，研究者将目光投向了一系列可能被PS激活的大规模脂质转运蛋白。

最后发现，溶酶体上的PS激活一种被称为ATG2 的脂质转运蛋白。ATG2就像一座桥梁，将大量脂质运送到溶酶体，直接修复溶酶体膜，在新发现的这一修复途径中完成最后一步。

“值得注意的是，ATG2有一个经典的功能，即转运脂质介导自噬体的形成。”研究者指出，“自噬和溶酶体修复都依赖于ATG2的脂质转运功能，但两个过程相互独立，互不影响。”通过在溶酶体表面过表达ATG2的一个片段，研究人员选择性地阻断了内源性ATG2介导的溶酶体修复，发现这并不影响ATG2在自噬中的作用。

▲细胞快速修复溶酶体损伤的统一核心机制：PITT途径（图片来源：参考资料[1]）

综合上述结果，研究人员发现了细胞快速修复溶酶体损伤的统一核心机制：溶酶体损伤促发了溶酶体表面的一种特殊脂质信号PI4P；而这一信号推动了内质网和溶酶体间的强烈互作，并进一步激活内质网向溶酶体的多重脂质转运。

两位来自匹兹堡大学的科学家将他们发现的这一连锁反应机制命名为 phosphoinositide-initiated membrane tethering and lipid transport途径，简称PITT途径，与匹兹堡大学的简称PITT同名。“这个系统的美妙之处在于，PITT途径的所有参与蛋白都是已知的分子，但过去并不知道它们会相互合作以及在溶酶体修复过程中发挥作用，”Finkel博士说，“我相信这些发现将对理解正常衰老和与衰老相关的疾病产生许多影响。”

作者发现，多种不同机制导致的溶酶体损伤，都能激活PITT途径。他们推测，健康人体内，溶酶体膜的小破损会通过PITT途径迅速得到修复。但是，损伤过度时——由于衰老或疾病等因素导致修复途径受阻，那么破损的溶酶体会积聚在细胞内导致二次伤害。

以阿尔茨海默病为例，tau纤维突破溶酶体膜继而侵袭扩散是疾病进展的关键步骤。谭小军博士通过实验敲除了编码PITT途径中第一个酶 PI4K2A的基因，发现tau纤维的侵袭扩散急剧增加，这表明PITT途径的缺陷可能加速阿尔茨海默病的进程。

研究人员介绍，他们计划开发小鼠模型，以了解激活PITT途径能否保护小鼠免于患上阿尔茨海默病。

该研究的第一、共同通讯作者谭小军（Jay Xiaojun Tan）博士已在匹兹堡大学医学院建立独立实验室，目前正在招募博士后。感兴趣的同学，欢迎访问https://JayTanLab.org或直接联系 [e-mail]。

参考资料：

[1] Jay Xiaojun Tan & Toren Finkel (2022) A phosphoinositide signalling pathway mediates rapid lysosomal repair. Nature. Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05164-4

[2] Boris Turk et al., (2009) Lysosomes as “Suicide Bags” in Cell Death: Myth or Reality? Journal of Biological Chemistry Doi: https://doi.org/10.1074/jbc.R109.023820

[3] Pitt scientists discover how cells repair longevity-promoting 'recycling system’. Retrieved Sep. 7, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/963594