溶酶體功能及其離子通道研究進展

蔡偉杰

（浙江工業大學長三角綠色制藥協同創新中心，浙江杭州 310014）

溶酶體是廣泛存在于真核細胞中的一種酸性細胞器，擁有60多種不同類型水解酶的酸性區室，其pH值在4.6左右，具單層膜，形狀多種多樣，呈0.025～0.800 μm的泡狀結構。一直以來，溶酶體被認為是胞內的“回收站”，但現在越來越多的研究表明，溶酶體不只是細胞內的“焚化爐”，還參與細胞內信號的傳導，與胞內穩態息息相關。

1 溶酶體功能

溶酶體維持細胞內穩態并介導多種生理過程，包括膽固醇體內平衡、質膜修復、骨和組織重塑、病原體防御、細胞死亡和細胞信號傳導等[1]。溶酶體作為細胞的降解中心，主要負責將蛋白質、多糖和復合脂質分別分解為氨基酸、單糖和游離脂肪酸[2]。溶酶體中含有60多種不同類型的水解酶，其介導的分解代謝降解是一種受營養狀況和細胞信號傳導調節的適應性過程[3]。溶酶體通過胞吞作用接收細胞外或細胞表面物質，并通過自噬接收細胞內成分[4]。內吞和自噬通量的增加會刺激溶酶體降解[5-6]，而分解代謝產物如氨基酸在溶酶體內的積累會終止降解和阻遏自噬通量[7]。溶酶體的降解功能能夠保證細胞內細胞器的更新并維持細胞的生長繁殖，并且能夠產生可用于能量生產和生物合成的底物，在維持細胞內能量穩態和實現生物合成途徑的再利用中起到決定性作用[5]。細胞中的溶酶體系統由早期的內體（EE）、回收的內體（RE）、晚期的內體（LE）和溶酶體（LYs）組成，這對于多種細胞功能如膜運輸、蛋白質轉運、自噬以及信號轉導是必需的[8]。溶酶體的降解和運輸的功能缺陷會引起細胞內的代謝失調。Settembre等人[3]的研究表明，溶酶體功能失調與神經退行性疾病相關，包括阿爾茲海默癥、帕金森氏綜合征和溶酶體貯積癥。因此，溶酶體通道的失調是許多溶酶體貯積癥（LSDs）發病機理的基礎，也是常見神經退行性疾病發病機理的基礎。

2 溶酶體離子通道

溶酶體包含50多種膜蛋白，其中包含各類離子通道，介導釋放 Ca2+、Fe2+和Zn2+，轉運 H+、Na+和K+以維持溶酶體膜電位和胞內離子平衡。這些膜蛋白中包含了營養感應機制，該機制是為了適應不斷變化的細胞環境，由雷帕霉素（mTOR）的哺乳動物靶標、生長的主要調節劑及相關蛋白質組成。營養饑餓不僅抑制mTOR介導的生長，還促進自噬體（AP）的形成。此外，營養饑餓能夠激活溶酶體生物發生轉錄因子EB（TFEB），通過增加溶酶體功能（酸化和水解酶的遞送）和運輸（AP-溶酶體融合）促進溶酶體降解。所以溶酶體介導的分解代謝降解是一種受營養狀況和細胞信號傳導調節的適應性過程[9]。溶酶體通道和轉運蛋白介導跨膜的離子通量，以調節溶酶體離子穩態、膜電位、分解代謝產物輸出、膜運輸和營養感應。其中，較為關鍵的是鈣、鈉和鉀離子通道。利用溶酶體膜片鉗技術，Xu等人[2]測得了對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]。溶酶體內離子失調會影響其移動、跨膜轉運、生物合成與裂解，從而引起細胞內的代謝失調。

2.1 溶酶體鈣離子通道

鈣離子是細胞內第二信使，在維持細胞結構、調節細胞功能上起到重要作用。Ⅳ型黏多糖貯積癥（Mucolipidosis type Ⅳ，MLIV）是一種常染色體隱性遺傳病，約95%的MLIV患者是由于溶酶體鈣離子通道TRPML1的兩種突變方式而致病。（1）編碼TRPML1的MCOLN1基因上第3個內含子的剪接受體位點的突變，導致第4和第5個外顯子的異常剪接和跳躍。這是MLIV最常見的突變，約占MLIV病例的72%。（2）MCOLN1基因的第6個外顯子和第7個外顯子上的6 000多個堿基對缺失。該突變方式致病人數占比約為23%。Ⅳ型黏多糖貯積癥會引起嚴重的智力低下、運動和言語缺陷、視網膜變性以及系統性病變如胃酸缺乏癥等[13]。Schiffmann等人[14]的研究表示，TRPML1釋放的Ca2+可以激活鈣調磷酸激酶，使TFEB去磷酸化并導致其核易位，提高溶酶體相關蛋白表達水平并促進溶酶體的生物合成，從而增加質膜附近的溶酶體并促進其與質膜的融合。

2.2 溶酶體鉀離子通道

溶酶體鉀通道TMEM175是調節溶酶體相關生理特性的通道，其介導了leak型鉀離子電流[12]，與其他80多種質膜鉀離子通道存在差異：TMEM175有兩段6個堿基的跨膜片段且不包含標志性GYG鉀離子通道序列——孔狀P環。當溶酶體缺失TMEM175時無鉀離子電位，具有顯著的去極化電位且對K+變化幾乎無敏感性，并且其管腔pH穩定性會受損且在自噬期間溶酶體與自噬體的融合會發生異常。因此，TMEM175作為K+通道，構成了溶酶體對K+滲透性的分子機制基礎[15]。該基因的突變或缺失將阻斷自噬體和溶酶體的融合并影響溶酶體正常生理功能。Cang等人[12]的研究表明，鉀通道的缺失或突變會造成溶酶體鈣信號傳導受損和脂質積累異常，但具體分子機制亟待闡釋。因此，溶酶體鉀通道逐漸被認為是治療神經退行性疾病的潛在治療靶點之一。

3 結語

近年來，溶酶體及其離子通道的功能研究取得了長足的進展，通過溶酶體離子通道調節溶酶體功能來對溶酶體貯積癥、神經退行性疾病等進行治療，這一途徑具有重大的臨床意義。