溶酶體及其離子通道研究進展

黎倩

（浙江工業大學長三角綠色制藥協同創新中心，浙江杭州 310014）

溶酶體存在于真核細胞中，是一種具單層膜結構的酸性細胞器，內含60多種酸性水解酶。溶酶體作為細胞的降解中心，可以介導細胞外顆粒及細胞內內容物的降解[1]。無論是在同種細胞或者不同細胞中，溶酶體的數量、形態、大小都存在著差異。溶酶體可以通過改變自己的位置、大小、數量、形態等，來響應細胞外與細胞內信號，從而滿足細胞的各項生理需求。溶酶體除了具有降解作用外，還參與了細胞內多個生理過程，例如細胞內信號傳導、細胞膜運輸、營養感知、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，這些離子通道對于維持溶酶體離子穩態、營養感知和溶酶體中信號傳導等至關重要。近年來，科學工作者對于溶酶體上的離子通道研究變得越來越多，這成為了該領域的研究熱點。目前為止，已有多種離子通道被發現并鑒定出來，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展。

1 溶酶體功能

溶酶體一直以來被視為細胞的大分子消化降解中心，也是細胞循環的主要位點。在溶酶體水解酶的催化下，細胞內蛋白質、多糖、脂質等物質可以被分解代謝為氨基酸、單糖和游離脂肪酸。溶酶體是囊泡狀細胞器，可以在細胞內發生移動，常常與其他細胞器進行膜運輸，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，降解所包裹的內容物。當細胞受到外界刺激或傷害時，細胞內自噬溶酶體的數量會大大增加，使得細胞免受損傷，起到保護細胞的作用。

溶酶體還能監測細胞內的營養水平。相關研究表明，溶酶體也是細胞信號傳導中樞，控制著細胞中的主要營養傳感器[4-6]。溶酶體的降解功能和信號傳導是相互作用的，降解產物通常作為營養感知信號來反向調節溶酶體的降解速率和時間[7]。雷帕霉素靶蛋白（mTOR）主要分布在溶酶體膜上，能促進細胞代謝并參與細胞自噬、凋亡，其復合物之一mTORC1與細胞的營養和生長信號有關[8]。mTORC1能感知細胞中的氨基酸，當氨基酸缺乏時，mTORC1從溶酶體膜及其底物上解離，使自噬水平上升，蛋白質合成受阻[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，可以作為細胞中主要的葡萄糖傳感器，在調節生物能量代謝中起著重要作用。當細胞中葡萄糖不足時，可以通過升高AMP/ATP比率或果糖1,6-二磷酸酶的產生來激活AMPK，維持細胞能量穩態[9]。

溶酶體內pH一般穩定在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行。溶酶體膜上含有v-ATP酶，這是一種多亞基質子泵，可以酸化溶酶體管腔，維持溶酶體所需酸性環境，從而使溶酶體正常行使功能[10]。

2 溶酶體離子通道

溶酶體上除了有轉運體、結構蛋白、水解酶等多種蛋白質外，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平衡中有著重要作用，還能介導信號傳導，調控溶酶體膜電位的變化以及細胞營養代謝。

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，可介導溶酶體中鈣離子、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，患上一種嚴重的神經性退行性疾病—IV型粘多糖儲積癥。

PI（3,5）P2和活性氧（ROS）是TRPML1的內源性激動劑，抑制PI（3,5）P2的合成，可以導致溶酶體運輸缺陷[13]。而活性氧可以調節自噬體和溶酶體生物發生，高濃度的ROS會讓細胞發生氧化應激反應，從而使細胞死亡或凋亡。低濃度的活性氧能促進細胞的分化與增殖，激活轉錄調節因子TFEB、ROS以TRPML1和溶酶體Ca2+依賴性方式誘導TFEB的核轉位[14]。此外，mTOR、PI（4,5）P2、鞘磷脂和腺苷是TRPML1的內源性抑制劑。饑餓誘導的mTOR抑制可能作為營養衍生的信號來調節TRPML1介導的Ca2+釋放[12]。PI（4,5）P2和鞘磷脂抑制TRPML1，防止TRPML1在溶酶體以外的細胞器上發揮作用。在腺苷脫氨酶缺陷細胞中，腔內腺苷積聚可能使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跨膜結構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。而在細胞研究中，TPC被認為是鈣離子釋放通道[17]。TPC通道之前被認為能介導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現，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能強烈地激活TPC電流[18]。因此，TPC不是NAADP的直接靶標。TPC也受幾種胞質和溶酶體內的因子調節。通過mTORC1激酶的作用，TPC2被細胞內ATP調控[19]。在肺動脈平滑肌細胞中，抑制mTOR可以誘導TPC依賴性的鈣釋放。溶酶體的pH可以特異性調節TPC1而不是TPC2[19]。在TPC KO細胞中，細胞自噬、脂質代謝、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通道是一種大電導介導的鈣激活的鉀離子通道，具有經典的鉀離子通道標志性結構（含GYG基序），可在興奮性細胞的質膜上表達，并充當膜興奮性的負調節劑。最近有兩項研究表明，在興奮性和非興奮性細胞的溶酶體中，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，在早期內體和晚期內體/溶酶體中均有表達[23]。與含有鉀離子通道標志性結構（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，以實現高鉀離子選擇性[24]。TMEM175能在調節溶酶體膜電位和維持溶酶體pH上發揮重要作用。過表達TMEM175能夠降低溶酶體膜電位；在TMEM175 KO的巨噬細胞中,溶酶體膜電位略有增加[23]。在細胞處于饑餓狀態時，細胞可以通過TMEM175來調節pH從而保持溶酶體的pH穩定[23]。

3 結語

近年來，溶酶體功能以及離子通道的研究取得了一些實質性進展，為今后的研究提供了強有力的理論依據。調節溶酶體上的離子通道，發揮溶酶體功能，從而來治療與溶酶體有關的疾病，如神經退行性疾病等。這一治療途徑的實現將為臨床研究帶來重大意義。