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#溶酶体#作为动物细胞中的重要水解系统，对于及时清除受损蛋白和细胞器至关重要。越来越多证据表明，溶酶体损伤参与了衰老和疾病的发生。诸多延缓衰老的动物模型显示出更强的溶酶体活性。因此，维持溶酶体的完整性及其水解能力有助于延缓衰老并推迟老年病的发生。然而，尽管溶酶体损伤的危害早在60多年前就已被发现，直到最近几年研究者才开始探寻动物细胞监测和修复溶酶体损伤的途径。
年9月7日，匹兹堡大学医学院细胞生物学系JayXiaojunTan(谭小*)和衰老研究所所长TorenFinkel在Nature杂志上合作发表了题为APhosphoinositideSignalingPathwayMediatesRapidLysosomalRepair的研究论文。在这篇文章中，作者通过对损伤前后溶酶体表面蛋白组的分析，发现了一个由溶酶体损伤激发的全新PI4P脂质信号通路，确定了这一新通路在溶酶体修复中的主导核心作用，阐明了PI4P信号推动内质网-受损溶酶体之间的互作和脂质交换的分子机理，揭示了从内质网转运到溶酶体的胆固醇和磷脂酰丝氨酸（PS）在溶酶体修复中的重要作用，并证明了下游脂质转运蛋白ATG2最终在PS的帮助下通过脂质运输直接修复溶酶体膜（图1）。作者将这一全新溶酶体修复机制命名为PITT(phosphoinositide-initiatedmembranetetheringandlipidtransport)途径，与作者机构匹兹堡大学的简称PITT同名。
图1.PITT途径是介导的溶酶体快速修复的核心机制
虽然普遍认为，受损溶酶体可被自噬降解或者被ESCRT复合物快速修复，但在缺乏ESCRT或自噬关键基因的细胞中溶酶体仍然得以快速修复，说明细胞中存在额外的修复途径。为了寻找这样的途径，作者设计了一种蛋白质组学方法来识别募集到受损溶酶体的蛋白质。他们将一种生物素连接酶TurboID定位在溶酶体表面，从而快速标记和纯化溶酶体表面蛋白（图2）。通过质谱对比分析，作者发现多个和PI4P脂质信号相关的蛋白特异性地富集在受损溶酶体表面。其中包括生产PI4P的激酶PI4K2A，以及多个PI4P的效应蛋白(ORP9/10/11/OSBP)，表明受损溶酶体表面可能激发了新的PI4P信号通路。
图2.溶酶体表面蛋白的生物素标记与纯化策略
经过多重验证，作者发现，受损溶酶体表面确实产生了大量的PI4P脂质信号（图3），并且这些信号完全来自于溶酶体对脂质激酶PI4K2A的特异性招募。敲除PI4K2A可以完全阻断这一全新PI4P通路。作者进一步证实，PI4P直接推动了ORP家族效应蛋白的招募，这些ORP蛋白一端结合溶酶体上面的PI4P，另一端结合在内置网上，从而介导了内置网和受损溶酶体之间的膜互作。阻断溶酶体上PI4P信号的产生，可以完全抑制ORP家族的招募，及内质网-溶酶体之间的互作。但若要在PI4P信号的下游阻断内质网和溶酶体的互作，则需同时敲除四个ORP家族蛋白（ORPquadrupleknockout，ORP-QKO）。
图3.受损溶酶体表面出现大量PI4P脂质信号
在内质网-溶酶体互作位点，ORP蛋白还介导内质网和溶酶体之间的脂质交换，进而把溶酶体上的PI4P转换成胆固醇和PS（图4）。胆固醇可以显著提高细胞膜的稳定性以及强度。但在没有胆固醇的情况下，溶酶体上PS的富集也可以极大地促进溶酶体的修复。研究者认为，PS的转运本身当不足以修复溶酶体漏洞，因为转运一个PS分子到溶酶体的同时，溶酶体上就会丢失一个PI4P分子。因此PS的富集并不能增加溶酶体上的脂质数量。作者推断，PS可能激活了另外的大规模脂质转运蛋白来填补溶酶体漏洞。
图4.ORP家族蛋白介导内质网和受损溶酶体之间的脂质交换
经过进一步筛选，研究者发现脂质转运蛋白ATG2可以被溶酶体上的PS激活，在溶酶体修复中起着关键作用。在受损溶酶体表面可以快速检测到ATG2的招募。在ATG2敲除的细胞中，溶酶体的修复无法完成。ATG2就像一个隧道连接着两个细胞器，并通过其疏水隧道将大量脂质体运输到受损溶酶体修补漏洞。值得一提的是，ATG2在溶酶体修复和自噬中的功能都依赖于其脂质转运能力，但这两个功能是完全独立、互不干扰的。作者通过一系列手段实现了选择性阻断ATG2在自噬或者溶酶体修复中的一个功能，而不影响另一个。
图5.PITT途径的缺失加剧tau纤维的扩散
作者发现，PITT途径是快速修复溶酶体的主要和必要途径。PITT途径可以被多种疾病相关的溶酶体损伤所激活，表明它是一种通用的溶酶体质量控制机制。例如，PITT途径的缺失会加剧tau纤维的扩散（图5），这是阿尔茨海默病进展的关键步骤。缺乏PITT途径也会增加细胞中脂褐质（lipofuscin）的积累；脂褐质是衰老溶酶体的病理特征，也是已知的衰老标志。在小鼠模型和人类患者中，缺失PITT通路的第一个关键酶PI4K2A会导致严重的神经退行性变和早衰。在本研究之前，这些病变的分子基础并不清楚。因此，PITT途径的发现是理解和治疗与溶酶体功能障碍相关的衰老和疾病的重要一步。在未来的研究工作中，作者计划通过化学筛选寻找能激发PITT途径的小分子药物，并开发小鼠模型来探究阻断或刺激PITT通路所带来的影响。
综上所述，该研究发现PITT途径为溶酶体修复的核心机制。在PITT途径中，起始信号PI4P招募ORP家族蛋白，推动内质网和受损溶酶体之间的强力互作，进而激活胆固醇和PS转运至溶酶体，最终ATG2在PS的刺激下通过大规模脂质运输直接修复溶酶体漏洞。
附：该研究的第一与共同通讯作者JayXiaojunTan博士已在匹兹堡大学医学院细胞生物学系建立独立实验室，目前正在招募博士后。欢迎感兴趣的同学访问实验室网站