溶酶體及其離子通道研究進(jìn)展

黎倩

（浙江工業(yè)大學(xué)長三角綠色制藥協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江杭州 310014）

溶酶體存在于真核細(xì)胞中，是一種具單層膜結(jié)構(gòu)的酸性細(xì)胞器，內(nèi)含60多種酸性水解酶。溶酶體作為細(xì)胞的降解中心，可以介導(dǎo)細(xì)胞外顆粒及細(xì)胞內(nèi)內(nèi)容物的降解[1]。無論是在同種細(xì)胞或者不同細(xì)胞中，溶酶體的數(shù)量、形態(tài)、大小都存在著差異。溶酶體可以通過改變自己的位置、大小、數(shù)量、形態(tài)等，來響應(yīng)細(xì)胞外與細(xì)胞內(nèi)信號，從而滿足細(xì)胞的各項(xiàng)生理需求。溶酶體除了具有降解作用外，還參與了細(xì)胞內(nèi)多個生理過程，例如細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)、細(xì)胞膜運(yùn)輸、營養(yǎng)感知、自噬、胞吐與胞吞等[2]。

溶酶體功能與溶酶體上的離子通道息息相關(guān)，這些離子通道對于維持溶酶體離子穩(wěn)態(tài)、營養(yǎng)感知和溶酶體中信號傳導(dǎo)等至關(guān)重要。近年來，科學(xué)工作者對于溶酶體上的離子通道研究變得越來越多，這成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前為止，已有多種離子通道被發(fā)現(xiàn)并鑒定出來，如定位于溶酶體膜上的非選擇性陽離 子 通 道 TRPMLs（transient receptor potential cation channel，mucolipin subfamily）。本文將簡單介紹溶酶體的功能及其離子通道近年來的研究進(jìn)展。

1 溶酶體功能

溶酶體一直以來被視為細(xì)胞的大分子消化降解中心，也是細(xì)胞循環(huán)的主要位點(diǎn)。在溶酶體水解酶的催化下，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)等物質(zhì)可以被分解代謝為氨基酸、單糖和游離脂肪酸。溶酶體是囊泡狀細(xì)胞器，可以在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生移動，常常與其他細(xì)胞器進(jìn)行膜運(yùn)輸，也就是融合和裂變[3]。溶酶體可與自噬體融合，形成自噬溶酶體，引起自噬，降解所包裹的內(nèi)容物。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激或傷害時(shí)，細(xì)胞內(nèi)自噬溶酶體的數(shù)量會大大增加，使得細(xì)胞免受損傷，起到保護(hù)細(xì)胞的作用。

溶酶體還能監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)水平。相關(guān)研究表明，溶酶體也是細(xì)胞信號傳導(dǎo)中樞，控制著細(xì)胞中的主要營養(yǎng)傳感器[4-6]。溶酶體的降解功能和信號傳導(dǎo)是相互作用的，降解產(chǎn)物通常作為營養(yǎng)感知信號來反向調(diào)節(jié)溶酶體的降解速率和時(shí)間[7]。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）主要分布在溶酶體膜上，能促進(jìn)細(xì)胞代謝并參與細(xì)胞自噬、凋亡，其復(fù)合物之一mTORC1與細(xì)胞的營養(yǎng)和生長信號有關(guān)[8]。mTORC1能感知細(xì)胞中的氨基酸，當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，mTORC1從溶酶體膜及其底物上解離，使自噬水平上升，蛋白質(zhì)合成受阻[5]。除此之外，溶酶體中還含有AMP依賴的蛋白激酶（AMPK），這是生物體保持葡萄糖平衡所必須的，可以作為細(xì)胞中主要的葡萄糖傳感器，在調(diào)節(jié)生物能量代謝中起著重要作用。當(dāng)細(xì)胞中葡萄糖不足時(shí)，可以通過升高AMP/ATP比率或果糖1,6-二磷酸酶的產(chǎn)生來激活A(yù)MPK，維持細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)[9]。

溶酶體內(nèi)pH一般穩(wěn)定在4.6左右，較低的pH有利于溶酶體中酸性水解酶的活性，并且能使酶的催化水解過程順利進(jìn)行。溶酶體膜上含有v-ATP酶，這是一種多亞基質(zhì)子泵，可以酸化溶酶體管腔，維持溶酶體所需酸性環(huán)境，從而使溶酶體正常行使功能[10]。

2 溶酶體離子通道

溶酶體上除了有轉(zhuǎn)運(yùn)體、結(jié)構(gòu)蛋白、水解酶等多種蛋白質(zhì)外，還有許多離子通道蛋白，這些離子通道不僅在維持溶酶體中離子的動態(tài)平衡中有著重要作用，還能介導(dǎo)信號傳導(dǎo)，調(diào)控溶酶體膜電位的變化以及細(xì)胞營養(yǎng)代謝。

2.1 溶酶體鈣離子通道

TRPML家族是一種非選擇性陽離子通道，主要定位于內(nèi)體和溶酶體膜上，是一種四聚體六跨膜蛋白[11]。TRPML分為三種亞型TRPML1、TRPML2和TRPML3。其中TRPML1廣泛表達(dá)，可介導(dǎo)溶酶體中鈣離子、重金屬鐵離子和鋅離子的釋放，但其并不能滲透質(zhì)子[12]。TRPML1由位于19號染色體上的MCOLN1基因編碼。人類MCOLN1基因的突變，會使溶酶體功能喪失，患上一種嚴(yán)重的神經(jīng)性退行性疾病—IV型粘多糖儲積癥。

PI（3,5）P2和活性氧（ROS）是TRPML1的內(nèi)源性激動劑，抑制PI（3,5）P2的合成，可以導(dǎo)致溶酶體運(yùn)輸缺陷[13]。而活性氧可以調(diào)節(jié)自噬體和溶酶體生物發(fā)生，高濃度的ROS會讓細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而使細(xì)胞死亡或凋亡。低濃度的活性氧能促進(jìn)細(xì)胞的分化與增殖，激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子TFEB、ROS以TRPML1和溶酶體Ca2+依賴性方式誘導(dǎo)TFEB的核轉(zhuǎn)位[14]。此外，mTOR、PI（4,5）P2、鞘磷脂和腺苷是TRPML1的內(nèi)源性抑制劑。饑餓誘導(dǎo)的mTOR抑制可能作為營養(yǎng)衍生的信號來調(diào)節(jié)TRPML1介導(dǎo)的Ca2+釋放[12]。PI（4,5）P2和鞘磷脂抑制TRPML1，防止TRPML1在溶酶體以外的細(xì)胞器上發(fā)揮作用。在腺苷脫氨酶缺陷細(xì)胞中，腔內(nèi)腺苷積聚可能使TRPML1通道受到抑制，從而引起溶酶體功能障礙[15]。除了內(nèi)源性的TRPML1激動劑與抑制劑，人工合成的小分子化合物ML-SA1等也可以特異性激活TRPML1[16]。

2.2 溶酶體鈉離子通道

在溶酶體電生理記錄中，TPC（Two-pore Channel Proteins）是一種具有兩個同源的6跨膜結(jié)構(gòu)域的鈉選擇性陽離子通道，并且在哺乳動物組織中普遍表達(dá)。而在細(xì)胞研究中，TPC被認(rèn)為是鈣離子釋放通道[17]。TPC通道之前被認(rèn)為能介導(dǎo)煙酸腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAADP）從而釋放溶酶體中的鈣離子。在隨后的溶酶體電生理研究中發(fā)現(xiàn)，NAADP的高效抑制劑（例如Ned-19），幾乎不能阻斷全溶酶體TPC電流，PI(3,5)P2能強(qiáng)烈地激活TPC電流[18]。因此，TPC不是NAADP的直接靶標(biāo)。TPC也受幾種胞質(zhì)和溶酶體內(nèi)的因子調(diào)節(jié)。通過mTORC1激酶的作用，TPC2被細(xì)胞內(nèi)ATP調(diào)控[19]。在肺動脈平滑肌細(xì)胞中，抑制mTOR可以誘導(dǎo)TPC依賴性的鈣釋放。溶酶體的pH可以特異性調(diào)節(jié)TPC1而不是TPC2[19]。在TPC KO細(xì)胞中，細(xì)胞自噬、脂質(zhì)代謝、溶酶體pH等方面都會受到影響[17,20]。

2.3 溶酶體鉀離子通道

BK通道是一種大電導(dǎo)介導(dǎo)的鈣激活的鉀離子通道，具有經(jīng)典的鉀離子通道標(biāo)志性結(jié)構(gòu)（含GYG基序），可在興奮性細(xì)胞的質(zhì)膜上表達(dá)，并充當(dāng)膜興奮性的負(fù)調(diào)節(jié)劑。最近有兩項(xiàng)研究表明，在興奮性和非興奮性細(xì)胞的溶酶體中，存在于類似BK的電流。溶酶體中鈣離子濃度升高后，溶酶體膜電位會以溶酶體電壓依賴性鈣激活的鉀離子通道方式迅速變化[21-22]。

TMEM175是一個二聚體12跨膜鉀離子選擇性通道，在早期內(nèi)體和晚期內(nèi)體/溶酶體中均有表達(dá)[23]。與含有鉀離子通道標(biāo)志性結(jié)構(gòu)（含GYG基序）的其他鉀離子通道不同，TMEM175在TM1和TM7上均具有FSD基序，以實(shí)現(xiàn)高鉀離子選擇性[24]。TMEM175能在調(diào)節(jié)溶酶體膜電位和維持溶酶體pH上發(fā)揮重要作用。過表達(dá)TMEM175能夠降低溶酶體膜電位；在TMEM175 KO的巨噬細(xì)胞中,溶酶體膜電位略有增加[23]。在細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時(shí)，細(xì)胞可以通過TMEM175來調(diào)節(jié)pH從而保持溶酶體的pH穩(wěn)定[23]。

3 結(jié)語

近年來，溶酶體功能以及離子通道的研究取得了一些實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，為今后的研究提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。調(diào)節(jié)溶酶體上的離子通道，發(fā)揮溶酶體功能，從而來治療與溶酶體有關(guān)的疾病，如神經(jīng)退行性疾病等。這一治療途徑的實(shí)現(xiàn)將為臨床研究帶來重大意義。