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编者按

溶酶体是细胞内部的 “废物处理厂”,可以消化处理细胞内所有冗余的生物大分子、功能损坏的细胞器、入侵细胞的病原微生物等。最近关于它的一个新研究,居然为治疗帕金森氏症等退行性疾病提供了新思路。

 

撰文 | 王立铭

你好,我是王立铭。2022年10月6日,第44期《巡山报告》又和你见面了。

本期报告的主角是一种似乎略显冷门,但实际上和许多种流行疾病都有隐秘关联的细胞内机器:溶酶体(lysosome)。2022年6月23日,美国密歇根大学徐浩新教授(现任浙江大学教授)在《细胞》杂志上发表了一篇论文,分析了溶酶体表面一个负责调节溶酶体内部酸碱度的离子通道TMEM175 [1]。

光听上面这句描述,似乎是一项非常基础的科学发现。但这篇论文,非常有说服力地把溶酶体功能和万众关注的神经退行性疾病(特别是帕金森氏症)联系在了一起,为后者的药物开发提供了新的思路。

让我们从头说起。所谓溶酶体,是真核细胞内部一类亚细胞结构的统称。它由单层膜包裹而成,形态变化很大,可以是比较规则的微球,也可以是充满褶皱和扭曲的泡状结构。它的尺寸变化也很大,从几十到几百纳米不等。溶酶体可以是细胞内部的 “废物处理厂”,细胞内的各种冗余的生物大分子、功能损坏的细胞器、入侵细胞的病原微生物,都能被运送到溶酶体内部进行消化分解,重新利用。

溶酶体处理废物的方式其实很简单,它的内部储存着大量能够分解生物大分子的酶,对任何种类的蛋白质、脂类、DNA/RNA分子都可以进行切割处理和碎片回收利用。这和人类世界的废物处理厂有不少相似之处,比如细胞内的溶酶体很容易被看成是一个无聊的、粗暴的甚至是肮脏的东西,但其实一刻不能失去,一旦失常就会引发混乱。[2]

人类有许多疾病和溶酶体功能失常、导致细胞内废物过度堆积有关。这类疾病被统称为 “溶酶体贮积症”(LSD, lysosome storage diseases)。其中最为人所知的可能是戈谢病(Gaucher Disease)。这是一种罕见遗传病,发病率约为数万分之一,患病可能出现肝脏急剧扩大、贫血、骨痛等症状。其致病原因是溶酶体内部的一个名叫葡萄糖脑苷脂酶(又称为beta-葡萄糖苷酶)的酶分子,出现了基因变异,无法切割和回收一类叫做葡萄糖脑苷脂的脂类分子。而葡萄糖脑苷脂的过度堆积会破坏各个组织脏器的功能,严重影响患者的健康和寿命。

除了戈谢病,所有溶酶体内部的酶分子发生基因变异都可能导致相应的遗传疾病,比如庞贝病、法布雷病等。相应的,这类疾病的治疗思路也比较容易想到:缺什么补什么,只要重新生产和输送一个能够分解废物的酶进入人体就可以。戈谢病的特效药物思而赞(Cerezyme),其实就是利用重组DNA技术生产的葡萄糖脑苷脂酶,用于治疗戈谢病患者,且疗效非常惊人,患者基本可以完全恢复正常生活 [3]。当然,这其实也是它频繁进入新闻、引发关注的原因。不过,如此有效的思而赞需要终身用药,年度治疗费用就接近200万人民币,大量患者家庭根本无法承受。

除了上述因果关系非常直接的情况,还有不少疾病和溶酶体有间接但同样确凿的关系。比如,溶酶体本身的健康如果受到了影响,工作效率降低,那么可能会影响细胞内的整套废物处理过程。

这是什么意思呢?

我们就用一个例子来说明:那就是溶酶体的pH调节。前面你可能已经意识到了一个问题:溶酶体内部那些强力的酶分子破坏力巨大,什么东西都能剪切破碎,溶酶体一旦泄露造成破坏怎么办?在溶酶体内部的酶分子被合成出来之后、运输进入溶酶体之前,就已经在细胞内造成破坏怎么办?而细胞的策略是,利用酸碱环境精确地约束溶酶体的功能。在漫长进化历史上,溶酶体内部这些强力酶分子的最佳工作环境被约束到一个特殊强酸性环境条件(pH=4.6),而溶酶体之外的细胞质则是一个弱碱性环境(pH=7.1-7.2)。这样一来,酶分子只有进入溶酶体内部才能开工,就算溶酶体泄露,释放出来的酶分子也无法在细胞内正常工作。

当然,这套保障系统就带来了一个额外的负担,需要在溶酶体内部维持强酸性环境(也就是较高的氢离子浓度环境)。人们很早就知道,溶酶体表面有一个氢离子泵(V-ATPase),能够在ATP的能量驱动下,源源不断地把氢离子运进溶酶体内部,维持溶酶体的工作环境。可想而知,如果这个氢离子泵出了问题,整个溶酶体的健康都会受到影响。人们也早已发现,一系列V-ATPase基因的变异能够引发严重的遗传疾病[4],这里咱们就不再详细展开了。

当然了,想要实现氢离子浓度的精确调节(或者针对任何目标数值的精确调节),光有氢离子泵这个负责提升数值的系统是不够的,至少还需要一个能够降低溶酶体内部氢离子浓度的系统。两套功能相反的系统协同工作,才能把溶酶体的pH值维持在目标值4.6附近。在生物学概念里,一个自然的想象是溶酶体表面存在一个所谓的氢离子通道(proton channel),能够让氢离子从溶酶体内部流出。请注意,氢离子泵(proton pump)和氢离子通道固然都是协助氢离子运动的,但作用方式完全相反。氢离子泵能够把氢离子从低浓度往高浓度方向运输,需要消耗能量。氢离子通道只能允许氢离子从高浓度往低浓度流淌,不需要消耗能量。

就在开头提到的这篇论文中,徐浩新实验室证明,这个假想中的溶酶体氢离子通道,是TMEM175。

比这个结论更重要的是,他们得出这个结论的路径。这得益于徐浩新实验室在十多年前开发的一套针对溶酶体的电生理记录系统 [5]。简单来说,研究者们从细胞中分离出大量的溶酶体小泡,用某些化学物质处理,使溶酶体体积增大到微米尺度,然后将极细的毛细管玻璃电极插入溶酶体中。这样一来就有极其微小的一小片溶酶体膜被卡在了毛细管当中,研究者们就可以通过测量毛细管内部的微弱电流,精细分析有哪些离子会按照什么方向跨越这一小片膜,以及哪些条件影响了这些离子的运动。

利用这套非常有技术难度,但能给出直接证据的方法,研究者们试图寻找传说中的溶酶体氢离子通道。它们先后把29个候选蛋白质放入细胞中,然后发现只有当放入TMEM175这个蛋白质的时候,溶酶体膜上的氢离子电流增大了约20倍,也就是说单位时间内,有20倍之多的氢离子能够通过TMEM175穿过溶酶体膜。一个很有趣的发现是,TMEM175的通道作用看起来还是自适应的:溶酶体内越酸,通道开放程度就越高,而且只能从内向外开放。这就保证了TMEM175的唯一作用是在溶酶体内部氢离子太多的时候释放一部分出来,和氢离子泵一起,准确地维持溶酶体内部4.6的酸性pH环境(也同时参见[6])。

解释到这里,我们其实仍然在描述一个很基本的生物学问题:溶酶体的酸性环境是如何得到精确调节的。但TMEM175的发现其实有更大的价值。TMEM175并非首次发现的新基因。早在2014年,一项十万人规模的人类遗传学研究就发现TMEM175基因的变异和帕金森氏症的风险有关 [7]。2017年一项后续研究则进一步证明,TMEM175基因的缺陷会影响神经细胞的正常活动,其中包括了溶酶体的功能 [8]。尽管当时人们其实并不知道这个基因具体是做什么工作的。

帕金森氏症你肯定不陌生,这是一类常见的神经退行性疾病,发病率高达千分之一。在60岁以上的老人中,发病率更可能高达1%。患者大脑中负责运动控制的中脑黑质多巴胺神经细胞大量死亡,引发运动功能受损、肢体僵硬颤抖、甚至彻底失去运动能力和智力。在帕金森氏症患者的大脑中,最引人注目的病理表现是神经细胞中一种名为alpha-突触核蛋白(alpha-synulcein)大量聚集,形成了一种被称为为路易小体(Lewy Body)的沉积物,它也被认为是推动神经细胞走向死亡的直接原因。

说到这,一个思路就呼之欲出了。路易小体最早是怎么出现的先不管,但按照我们一开始讨论的方向,只要它是个不该出现的、有毒害的东西,细胞内的 “废物处理厂” 溶酶体都应该第一时间发现并清理掉才对。反过来说,路易小体想要大量堆积,一个先决条件就是得先破坏掉溶酶体的正常功能。而我们已经知道,TMEM175对于维持溶酶体的酸碱环境和正常工作至关重要。这样一来,TMEM175如果出现了基因变异,溶酶体功能自然会受到损害,那对路易小体的清除势必受到干扰——这就能解释为什么TMEM175基因变异是帕金森氏症的高危因素了。
研究者们在论文中也做了相应的检验。他们发现如果利用基因编辑技术破坏细胞内的TMEM175基因,溶酶体膜的氢离子外流就停止了,溶酶体内部的pH还有进一步下降。相应的,溶酶体内部的酶此时就无法正常工作了,细胞内的 “废物处理厂” 处于半停工状态。如果在小鼠体内敲除TMEM175基因,小鼠脑中确实会出现类似帕金森氏症的表现,神经细胞内出现了密集的alpha-突触核蛋白的聚集体。

这样一来,咱们讨论的这项新的研究,就在溶酶体和帕金森氏症这两者之间提供了一个完整的(当然肯定是过度简化的)闭环解释:因为各种可能的原因,患者大脑中alpha-突触核蛋白大量聚集形成路易小体,如果溶酶体工作正常,废物来了就清除,不一定会造成长久的危害;如果TMEM175基因变异导致溶酶体内部酸碱度失调、废物处理功能失常,则路易小体无法被快速清除,进而威胁神经细胞的生存,导致疾病的发生。

接下来则是最直接的问题:那我们能不能通过一些手段,恢复或者刺激强化溶酶体的功能,更好地清除路易小体,起到治疗帕金森氏症的目的呢?这项研究本身倒还没有做这样的尝试。但研究者们已经筛选出了几个能够打开或者关闭TMEM175的小分子化合物,也许下一步就是在帕金森氏症的小鼠模型中做测试了。不过,有一些其他研究线索提示我们,这种可能性还不低。

在之前的十多年时间里,徐浩新实验室还重点研究过另一个溶酶体膜上的离子通道蛋白TRPML1。这是一个允许各种阳离子、特别是钙离子穿过的蛋白,对溶酶体的功能也很重要。TRPML1基因的变异也能直接引起溶酶体贮积症(说得更具体点,是一类叫做黏脂质贮积症IV型的罕见遗传病)。非常有意思的是,研究者们找到了一系列能够直接激活TRPML1通道,从而刺激溶酶体废物处理功能的化学物质,并且发现它们能够在阿尔茨海默症模型(Alzheimer's Disease)中起到一定作用 [9]。相关的小分子药物已经在积极地开展临床探索 [10]。

要知道阿尔茨海默症和帕金森氏症虽然发病机理完全不同,但有两点是非常相似的,它们都表现出了某些蛋白质分子的异常聚集(Abeta和alpha-突触核蛋白),以及特定神经细胞的大量死亡。因此,如果激活溶酶体功能可能用于清除阿尔茨海默症背后的病因,它也许也可以以此类推地用于帕金森氏症,甚至更多的和蛋白质异常聚集相关的疾病,比如亨廷顿舞蹈症(这是一种以运动神经细胞逐渐死亡、肢体运动失调为主要特征的遗传疾病)(Huntington's Disease)、肌萎缩侧索硬化症(俗称的渐冻人症,ALS, Amyotrophic Lateral Sclerosis)、脆性X染色体综合征(Fragile X Syndrome)等。

我们也完全可以继续联想,也许通过人为激活溶酶体的废物清理功能,更多和溶酶体并不直接相关的疾病,也可能会看到全新的解题思路。比如我们是不是可以开个更大的脑洞:就像一座老房子总是废物越堆越多,清理越来越难,人体衰老的过程也伴随着溶酶体机能的下降,那么激活溶酶体是否还可能成为逆转衰老的好办法?

脑洞暂且就开到这里。从溶酶体上的离子通道研究,到神经退行性疾病的潜在治疗方案,故事尽管仍在进行时,但非常有力地证明了我们对生物学基本现象的理解,可能在意想不到的方向带来临床的巨大收获。我当然也非常希望你因此多留意一下溶酶体,这个经常被人忽略,但对人体健康不可或缺的 “废物处理厂”。

好,这就是本期的巡山报告。11月6日,我再次为你巡山。 
 

参考文献:

1.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35750034/

2.https://www.nature.com/articles/s41573-019-0036-1

3.https://www.cerezyme.com/considering-cerezyme/about-cerezyme

4.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005273620301814

5.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18794901/

6.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm1568

7.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25064009/

8.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28193887/

9.https://www.jneurosci.org/content/34/34/11485

10.https://www.genengnews.com/news/merck-acquires-trpml1-agonist-developer-calporta-for-up-to-576m/

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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