導讀：近幾十年來(lái)，已有諸多研究發(fā)現了溶酶體的重要功能——參與細胞免疫、營(yíng)養感知、清除受損細胞組分、降解生物大分子等諸多細胞活動(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(zhù)重要角色；但一直以來(lái)鮮有研究對溶酶體的修復機制進(jìn)行深入探索。近日，科學(xué)家們首次揭示了溶酶體修復的核心機制——該機制將引領(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的神經(jīng)退性疾病。

9月7日，來(lái)自匹茲堡大學(xué)醫學(xué)院細胞生物學(xué)系的譚小軍博士與衰老研究所所長(cháng)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，首次描述了一種溶酶體修復的核心途徑：PITT途徑（phosphoinositide-initiated membrane tethering and lipid transport）。通過(guò)該途徑，細胞能快速修復已受損的溶酶體。該發(fā)現將協(xié)助人們進(jìn)一步了解和治療由溶酶體受損驅動(dòng)的與年齡相關(guān)的疾病。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05164-4

細胞的“自殺口袋”——溶酶體

01

20世紀50年代，現代細胞生物學(xué)創(chuàng )始人之一、諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎得主Christian de Duve教授首次發(fā)現了動(dòng)物細胞中的“溶酶體”（lysosomes），并且一度稱(chēng)之為細胞的“自殺口袋”：這種細胞器含有大量水解酶，可降解細胞內的蛋白質(zhì)等生物大分子；由此可能在細胞自殺過(guò)程中發(fā)揮作用。隨著(zhù)近幾十年來(lái)對溶酶體的進(jìn)一步探索，人們已發(fā)現溶酶體的諸多其他重要功能——例如，參與細胞免疫、營(yíng)養感知、清除受損細胞組分等細胞活動(dòng)。由此，溶酶體自身的損傷及活性下降，在細胞衰老、人類(lèi)疾病中扮演著(zhù)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)醫學(xué)院的譚小軍博士表示：“溶酶體損傷是包括衰老在內的許多疾病的標志，尤其像阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病。探索、理解溶酶體修復的核心機制，將幫助我們進(jìn)一步研究正常衰老、與衰老相關(guān)的疾病?！?

溶酶體修復核心機制——PITT途徑

02

之前的研究普遍認為，細胞中存在兩種潛在的溶酶體修復機制——溶酶體自噬（lysophagy）介導的間接修復；以及內體分選復合物（ESCRT）介導的直接膜孔修復。然而，科學(xué)家發(fā)現，在缺乏上述兩種機制的情況下，溶酶體損傷仍然能夠被快速修復；這不禁讓人猜測，細胞中還存在更重要的修復途徑來(lái)治愈溶酶體損傷。

首先，研究者用生物素對溶酶體表面的所有蛋白進(jìn)行了標記，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，溶酶體一旦受損，在短短幾分鐘后，一種叫PI4K2A的激酶就會(huì )到達現場(chǎng)，隨后導致脂質(zhì)信號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：

b.蛋白組學(xué)分析溶酶體表面蛋白；

c.受損溶酶體PI4P信號示意圖。

PI4P信號觸發(fā)了“警報系統”，有選擇性地對受損溶酶體進(jìn)行標記。這將進(jìn)一步招募ORP家族蛋白（包括ORP9/10/11和OSBP）——它們一端結合受損溶酶體上的PI4P，另一端結合在內質(zhì)網(wǎng)上。內質(zhì)網(wǎng)是細胞中最大的膜結構細胞器，負責脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的合成。在ORP家族蛋白的幫助下，內質(zhì)網(wǎng)與受損溶酶體緊密地結合起來(lái)。

在一般的情況下，內質(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，一旦溶酶體受損，內質(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(guān)察到的最強的細胞器間互作。

熒光顯微圖像顯示了內質(zhì)網(wǎng)（綠色）像毯子一樣包裹住受損的溶酶體（紅色），細胞核以藍色顯示。

通過(guò)這種“擁抱”，ORP家族蛋白作為脂質(zhì)轉運體，繼而將膽固醇和一種叫做磷脂酰絲氨酸（PS）的脂質(zhì)從內質(zhì)網(wǎng)運送到溶酶體，以促進(jìn)溶酶體膜的修復。研究者發(fā)現，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。膽固醇含量上升可以提高細胞膜的穩定性，這可能預示膽固醇或許直接參與溶酶體修復。然而，PS并沒(méi)有已知的提高生物膜穩定性的功能。為了破解PS如何介導溶酶體修復，研究者們將目光投向了一系列可能被PS激活的大規模脂質(zhì)轉運蛋白。

他們發(fā)現，溶酶體上的PS激活了一種被稱(chēng)為ATG2的脂質(zhì)轉運蛋白。ATG2就像一座橋梁，將大量脂質(zhì)運送到溶酶體，直接修復溶酶體膜，在新發(fā)現的這一修復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，即轉運脂質(zhì)介導自噬體的形成。自噬和溶酶體修復都依賴(lài)于A(yíng)TG2的脂質(zhì)轉運功能，但兩個(gè)過(guò)程相互獨立，互不影響?！蓖ㄟ^(guò)在溶酶體表面過(guò)表達ATG2的一個(gè)片段，研究人員選擇性地阻斷了內源性ATG2介導的溶酶體修復，發(fā)現ATG2在自噬中的作用并未受此影響。

細胞快速修復溶酶體損傷的統一核心機制：PITT途徑

對理解衰老、衰老相關(guān)疾病的意義

03

綜上，此研究發(fā)現了細胞快速修復溶酶體損傷的核心機制——溶酶體損傷促發(fā)了溶酶體表面的一種特殊脂質(zhì)信號PI4P；而這一信號推動(dòng)了內質(zhì)網(wǎng)和溶酶體間的強烈互作，進(jìn)而激活內質(zhì)網(wǎng)向溶酶體的多重脂質(zhì)轉運。

Finkel博士說(shuō)表示：“這個(gè)系統的美妙之處在于，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過(guò)程中發(fā)揮作用。這些發(fā)現將對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，多種不同機制導致的溶酶體損傷，都能激活PITT途徑。由此推測，在健康人體內，溶酶體膜的小破損會(huì )通過(guò)PITT途徑迅速得到修復。然而，當損傷過(guò)度時(shí)——由于衰老或疾病等因素導致修復途徑受阻，破損的溶酶體會(huì )積聚在細胞內導致二次傷害。

以阿爾茨海默病為例，tau纖維突破溶酶體膜繼而侵襲擴散是疾病進(jìn)展的關(guān)鍵步驟。此研究通過(guò)實(shí)驗敲除了編碼PITT途徑中第一個(gè)酶PI4K2A的基因，發(fā)現tau纖維的侵襲擴散急劇增加，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)，研究者計劃開(kāi)發(fā)小鼠模型，以了解激活PITT途徑能否保護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，請至正規醫院就診。