溶酶体功能及其离子通道研究进展

2021-01-19蔡伟杰

生物化工 2021年2期

蔡伟杰

（浙江工业大学长三角绿色制药协同创新中心，浙江杭州 310014）

溶酶体是广泛存在于真核细胞中的一种酸性细胞器，拥有60多种不同类型水解酶的酸性区室，其pH值在4.6左右，具单层膜，形状多种多样，呈0.025～0.800 μm的泡状结构。一直以来，溶酶体被认为是胞内的“回收站”，但现在越来越多的研究表明，溶酶体不只是细胞内的“焚化炉”，还参与细胞内信号的传导，与胞内稳态息息相关。

1 溶酶体功能

溶酶体维持细胞内稳态并介导多种生理过程，包括胆固醇体内平衡、质膜修复、骨和组织重塑、病原体防御、细胞死亡和细胞信号传导等[1]。溶酶体作为细胞的降解中心，主要负责将蛋白质、多糖和复合脂质分别分解为氨基酸、单糖和游离脂肪酸[2]。溶酶体中含有60多种不同类型的水解酶，其介导的分解代谢降解是一种受营养状况和细胞信号传导调节的适应性过程[3]。溶酶体通过胞吞作用接收细胞外或细胞表面物质，并通过自噬接收细胞内成分[4]。内吞和自噬通量的增加会刺激溶酶体降解[5-6]，而分解代谢产物如氨基酸在溶酶体内的积累会终止降解和阻遏自噬通量[7]。溶酶体的降解功能能够保证细胞内细胞器的更新并维持细胞的生长繁殖，并且能够产生可用于能量生产和生物合成的底物，在维持细胞内能量稳态和实现生物合成途径的再利用中起到决定性作用[5]。细胞中的溶酶体系统由早期的内体（EE）、回收的内体（RE）、晚期的内体（LE）和溶酶体（LYs）组成，这对于多种细胞功能如膜运输、蛋白质转运、自噬以及信号转导是必需的[8]。溶酶体的降解和运输的功能缺陷会引起细胞内的代谢失调。Settembre等人[3]的研究表明，溶酶体功能失调与神经退行性疾病相关，包括阿尔兹海默症、帕金森氏综合征和溶酶体贮积症。因此，溶酶体通道的失调是许多溶酶体贮积症（LSDs）发病机理的基础，也是常见神经退行性疾病发病机理的基础。

2 溶酶体离子通道

溶酶体包含50多种膜蛋白，其中包含各类离子通道，介导释放 Ca2+、Fe2+和Zn2+，转运 H+、Na+和K+以维持溶酶体膜电位和胞内离子平衡。这些膜蛋白中包含了营养感应机制，该机制是为了适应不断变化的细胞环境，由雷帕霉素（mTOR）的哺乳动物靶标、生长的主要调节剂及相关蛋白质组成。营养饥饿不仅抑制mTOR介导的生长，还促进自噬体（AP）的形成。此外，营养饥饿能够激活溶酶体生物发生转录因子EB（TFEB），通过增加溶酶体功能（酸化和水解酶的递送）和运输（AP-溶酶体融合）促进溶酶体降解。所以溶酶体介导的分解代谢降解是一种受营养状况和细胞信号传导调节的适应性过程[9]。溶酶体通道和转运蛋白介导跨膜的离子通量，以调节溶酶体离子稳态、膜电位、分解代谢产物输出、膜运输和营养感应。其中，较为关键的是钙、钠和钾离子通道。利用溶酶体膜片钳技术，Xu等人[2]测得了对Na+/Ca2+具有通透性的TRPML通道家族、TPC族[10]和P2X4，以及K+通道BK[11]和TMEM175[12]。溶酶体内离子失调会影响其移动、跨膜转运、生物合成与裂解，从而引起细胞内的代谢失调。

2.1 溶酶体钙离子通道

钙离子是细胞内第二信使，在维持细胞结构、调节细胞功能上起到重要作用。Ⅳ型黏多糖贮积症（Mucolipidosis type Ⅳ，MLIV）是一种常染色体隐性遗传病，约95%的MLIV患者是由于溶酶体钙离子通道TRPML1的两种突变方式而致病。（1）编码TRPML1的MCOLN1基因上第3个内含子的剪接受体位点的突变，导致第4和第5个外显子的异常剪接和跳跃。这是MLIV最常见的突变，约占MLIV病例的72%。（2）MCOLN1基因的第6个外显子和第7个外显子上的6 000多个碱基对缺失。该突变方式致病人数占比约为23%。Ⅳ型黏多糖贮积症会引起严重的智力低下、运动和言语缺陷、视网膜变性以及系统性病变如胃酸缺乏症等[13]。Schiffmann等人[14]的研究表示，TRPML1释放的Ca2+可以激活钙调磷酸激酶，使TFEB去磷酸化并导致其核易位，提高溶酶体相关蛋白表达水平并促进溶酶体的生物合成，从而增加质膜附近的溶酶体并促进其与质膜的融合。

2.2 溶酶体钾离子通道

溶酶体钾通道TMEM175是调节溶酶体相关生理特性的通道，其介导了leak型钾离子电流[12]，与其他80多种质膜钾离子通道存在差异：TMEM175有两段6个碱基的跨膜片段且不包含标志性GYG钾离子通道序列——孔状P环。当溶酶体缺失TMEM175时无钾离子电位，具有显著的去极化电位且对K+变化几乎无敏感性，并且其管腔pH稳定性会受损且在自噬期间溶酶体与自噬体的融合会发生异常。因此，TMEM175作为K+通道，构成了溶酶体对K+渗透性的分子机制基础[15]。该基因的突变或缺失将阻断自噬体和溶酶体的融合并影响溶酶体正常生理功能。Cang等人[12]的研究表明，钾通道的缺失或突变会造成溶酶体钙信号传导受损和脂质积累异常，但具体分子机制亟待阐释。因此，溶酶体钾通道逐渐被认为是治疗神经退行性疾病的潜在治疗靶点之一。