溶酶体及其离子通道研究进展

2020-02-17黎倩

生物化工 2020年1期

黎倩

（浙江工业大学长三角绿色制药协同创新中心，浙江杭州 310014）

溶酶体存在于真核细胞中，是一种具单层膜结构的酸性细胞器，内含60多种酸性水解酶。溶酶体作为细胞的降解中心，可以介导细胞外颗粒及细胞内内容物的降解[1]。无论是在同种细胞或者不同细胞中，溶酶体的数量、形态、大小都存在着差异。溶酶体可以通过改变自己的位置、大小、数量、形态等，来响应细胞外与细胞内信号，从而满足细胞的各项生理需求。溶酶体除了具有降解作用外，还参与了细胞内多个生理过程，例如细胞内信号传导、细胞膜运输、营养感知、自噬、胞吐与胞吞等[2]。

溶酶体功能与溶酶体上的离子通道息息相关，这些离子通道对于维持溶酶体离子稳态、营养感知和溶酶体中信号传导等至关重要。近年来，科学工作者对于溶酶体上的离子通道研究变得越来越多，这成为了该领域的研究热点。目前为止，已有多种离子通道被发现并鉴定出来，如定位于溶酶体膜上的非选择性阳离子通道 TRPMLs（transient receptor potential cation channel，mucolipin subfamily）。本文将简单介绍溶酶体的功能及其离子通道近年来的研究进展。

1 溶酶体功能

溶酶体一直以来被视为细胞的大分子消化降解中心，也是细胞循环的主要位点。在溶酶体水解酶的催化下，细胞内蛋白质、多糖、脂质等物质可以被分解代谢为氨基酸、单糖和游离脂肪酸。溶酶体是囊泡状细胞器，可以在细胞内发生移动，常常与其他细胞器进行膜运输，也就是融合和裂变[3]。溶酶体可与自噬体融合，形成自噬溶酶体，引起自噬，降解所包裹的内容物。当细胞受到外界刺激或伤害时，细胞内自噬溶酶体的数量会大大增加，使得细胞免受损伤，起到保护细胞的作用。

溶酶体还能监测细胞内的营养水平。相关研究表明，溶酶体也是细胞信号传导中枢，控制着细胞中的主要营养传感器[4-6]。溶酶体的降解功能和信号传导是相互作用的，降解产物通常作为营养感知信号来反向调节溶酶体的降解速率和时间[7]。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）主要分布在溶酶体膜上，能促进细胞代谢并参与细胞自噬、凋亡，其复合物之一mTORC1与细胞的营养和生长信号有关[8]。mTORC1能感知细胞中的氨基酸，当氨基酸缺乏时，mTORC1从溶酶体膜及其底物上解离，使自噬水平上升，蛋白质合成受阻[5]。除此之外，溶酶体中还含有AMP依赖的蛋白激酶（AMPK），这是生物体保持葡萄糖平衡所必须的，可以作为细胞中主要的葡萄糖传感器，在调节生物能量代谢中起着重要作用。当细胞中葡萄糖不足时，可以通过升高AMP/ATP比率或果糖1,6-二磷酸酶的产生来激活AMPK，维持细胞能量稳态[9]。

溶酶体内pH一般稳定在4.6左右，较低的pH有利于溶酶体中酸性水解酶的活性，并且能使酶的催化水解过程顺利进行。溶酶体膜上含有v-ATP酶，这是一种多亚基质子泵，可以酸化溶酶体管腔，维持溶酶体所需酸性环境，从而使溶酶体正常行使功能[10]。

2 溶酶体离子通道

溶酶体上除了有转运体、结构蛋白、水解酶等多种蛋白质外，还有许多离子通道蛋白，这些离子通道不仅在维持溶酶体中离子的动态平衡中有着重要作用，还能介导信号传导，调控溶酶体膜电位的变化以及细胞营养代谢。

2.1 溶酶体钙离子通道

TRPML家族是一种非选择性阳离子通道，主要定位于内体和溶酶体膜上，是一种四聚体六跨膜蛋白[11]。TRPML分为三种亚型TRPML1、TRPML2和TRPML3。其中TRPML1广泛表达，可介导溶酶体中钙离子、重金属铁离子和锌离子的释放，但其并不能渗透质子[12]。TRPML1由位于19号染色体上的MCOLN1基因编码。人类MCOLN1基因的突变，会使溶酶体功能丧失，患上一种严重的神经性退行性疾病—IV型粘多糖储积症。

PI（3,5）P2和活性氧（ROS）是TRPML1的内源性激动剂，抑制PI（3,5）P2的合成，可以导致溶酶体运输缺陷[13]。而活性氧可以调节自噬体和溶酶体生物发生，高浓度的ROS会让细胞发生氧化应激反应，从而使细胞死亡或凋亡。低浓度的活性氧能促进细胞的分化与增殖，激活转录调节因子TFEB、ROS以TRPML1和溶酶体Ca2+依赖性方式诱导TFEB的核转位[14]。此外，mTOR、PI（4,5）P2、鞘磷脂和腺苷是TRPML1的内源性抑制剂。饥饿诱导的mTOR抑制可能作为营养衍生的信号来调节TRPML1介导的Ca2+释放[12]。PI（4,5）P2和鞘磷脂抑制TRPML1，防止TRPML1在溶酶体以外的细胞器上发挥作用。在腺苷脱氨酶缺陷细胞中，腔内腺苷积聚可能使TRPML1通道受到抑制，从而引起溶酶体功能障碍[15]。除了内源性的TRPML1激动剂与抑制剂，人工合成的小分子化合物ML-SA1等也可以特异性激活TRPML1[16]。

2.2 溶酶体钠离子通道

在溶酶体电生理记录中，TPC（Two-pore Channel Proteins）是一种具有两个同源的6跨膜结构域的钠选择性阳离子通道，并且在哺乳动物组织中普遍表达。而在细胞研究中，TPC被认为是钙离子释放通道[17]。TPC通道之前被认为能介导烟酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAADP）从而释放溶酶体中的钙离子。在随后的溶酶体电生理研究中发现，NAADP的高效抑制剂（例如Ned-19），几乎不能阻断全溶酶体TPC电流，PI(3,5)P2能强烈地激活TPC电流[18]。因此，TPC不是NAADP的直接靶标。TPC也受几种胞质和溶酶体内的因子调节。通过mTORC1激酶的作用，TPC2被细胞内ATP调控[19]。在肺动脉平滑肌细胞中，抑制mTOR可以诱导TPC依赖性的钙释放。溶酶体的pH可以特异性调节TPC1而不是TPC2[19]。在TPC KO细胞中，细胞自噬、脂质代谢、溶酶体pH等方面都会受到影响[17,20]。

2.3 溶酶体钾离子通道

BK通道是一种大电导介导的钙激活的钾离子通道，具有经典的钾离子通道标志性结构（含GYG基序），可在兴奋性细胞的质膜上表达，并充当膜兴奋性的负调节剂。最近有两项研究表明，在兴奋性和非兴奋性细胞的溶酶体中，存在于类似BK的电流。溶酶体中钙离子浓度升高后，溶酶体膜电位会以溶酶体电压依赖性钙激活的钾离子通道方式迅速变化[21-22]。

TMEM175是一个二聚体12跨膜钾离子选择性通道，在早期内体和晚期内体/溶酶体中均有表达[23]。与含有钾离子通道标志性结构（含GYG基序）的其他钾离子通道不同，TMEM175在TM1和TM7上均具有FSD基序，以实现高钾离子选择性[24]。TMEM175能在调节溶酶体膜电位和维持溶酶体pH上发挥重要作用。过表达TMEM175能够降低溶酶体膜电位；在TMEM175 KO的巨噬细胞中,溶酶体膜电位略有增加[23]。在细胞处于饥饿状态时，细胞可以通过TMEM175来调节pH从而保持溶酶体的pH稳定[23]。