在一項(xiàng)新的研究中，來自密歇根大學(xué)的研究人員指出在大約五分之一的帕金森病病例中，要把溶酶體中的一種小的、功能失常的蛋白作為風(fēng)險(xiǎn)因素。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年6月23日的Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Parkinson’s disease-risk protein TMEM175 is a proton-activated proton channel in lysosomes”。

溶酶體是細(xì)胞的垃圾收集器。這些細(xì)胞器負(fù)責(zé)分解細(xì)胞中的“垃圾”---錯(cuò)誤折疊的蛋白、磨損的細(xì)胞器。細(xì)胞在一種稱為自噬的過程中收集這些垃圾。自噬密切依賴于溶酶體的功能，當(dāng)溶酶體發(fā)生故障，這一過程被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞碎片堆積，就會(huì)發(fā)生各種疾病。其中許多是退行性疾病，如阿爾茨海默病、杜興氏肌肉營(yíng)養(yǎng)不良癥和泰勒-薩克斯病（Tay-Sachs disease）。

在這項(xiàng)新的研究中，這些作者發(fā)現(xiàn)了一種名為TMEM175的突變蛋白如何在大約20%的帕金森病病例中充當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)因素。在帕金森病中，控制運(yùn)動(dòng)的大腦區(qū)域中的神經(jīng)細(xì)胞開始失效和死亡。據(jù)美國(guó)國(guó)家老齡化研究所的說法，科學(xué)家們認(rèn)為帕金森病是遺傳和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。

這些作者發(fā)現(xiàn)，如果發(fā)生突變，TMEM175不能正確地調(diào)節(jié)溶酶體內(nèi)環(huán)境的酸度。如果該環(huán)境的酸度不正確，溶酶體內(nèi)的酶就會(huì)停止有效工作，這種細(xì)胞器就不能正確發(fā)揮其作用。

論文通訊作者、密歇根大學(xué)分子、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授Haoxing Xu說，“溶酶體實(shí)際上需要一個(gè)最佳的pH值?？梢耘c人體體溫進(jìn)行類比：人體體溫必須是37攝氏度。38度太高，36度太低。溶酶體中的酶需要一個(gè)大約4.6的最佳pH值。任何超出4.6的pH值都可能導(dǎo)致代謝功能紊亂，從而導(dǎo)致細(xì)胞垃圾堆積，最終導(dǎo)致神經(jīng)變性和代謝性疾病?！?/p>

為了使溶酶體保持酸性平衡，Xu知道必須有離子通道通過調(diào)節(jié)溶酶體內(nèi)的氫離子（在這里稱為質(zhì)子，即氫原子的原子核被剝奪了電子）的濃度來調(diào)節(jié)這種細(xì)胞器的酸度。

Xu及其研究團(tuán)隊(duì)首先確定了溶酶體內(nèi)腔的確切酸度。然后，他們梳理了一份與溶酶體有關(guān)但尚未被很好描述的蛋白清單。

論文共同作者、密歇根大學(xué)分子、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)教授Richard Hume說，人們非常了解的是質(zhì)子如何進(jìn)入溶酶體：一種特定的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，稱為V-ATP酶，可以裝載質(zhì)子，但不清楚的是如何達(dá)到平衡，即如何使pH值達(dá)到4.6，而不是讓它繼續(xù)變酸。一些間接證據(jù)提示著，溶酶體中可能有一種質(zhì)子滲透通道在某種程度上參與了pH值的平衡，但是它的分子基礎(chǔ)尚不清楚。

圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.021。

Xu說，“我們感興趣的是，如果有V-ATP酶將質(zhì)子泵入，那么溶酶體一定有一種離子通道蛋白，它在溶酶體內(nèi)的質(zhì)子水平過高時(shí)釋放質(zhì)子?！?/p>

為了研究溶酶體中的離子通道，Xu實(shí)驗(yàn)室之前開發(fā)了一種稱為溶酶體膜片鉗（lysosome patch-clamp）的專門技術(shù)。溶酶體膜片鉗使得他們能夠有選擇地“打開”溶酶體中的某些離子通道，以便更好地了解它們的功能。他們已經(jīng)用這種技術(shù)找到了其他離子的通道：鈣離子、鈉離子、鉀離子、氯離子和鐵離子，如今還有質(zhì)子。

論文共同作者、密歇根大學(xué)博士后研究員Meiqin Hu和Ping Li列出了所有已知存在于溶酶體中的膜蛋白的編碼基因，然后進(jìn)行了過表達(dá)篩選試驗(yàn)。這意味著他們一次測(cè)試了幾十個(gè)膜蛋白，看看溶酶體的膜是否對(duì)質(zhì)子變得更加通透。這表明，他們篩選的其中一種候選膜蛋白與溶酶體中的質(zhì)子流出有關(guān)。

Hume說，這些作者鎖定了跨膜蛋白TMEM 175，它在過表達(dá)篩選試驗(yàn)中使得質(zhì)子通透性得到了極大的增強(qiáng)。

Hume說，“這讓Hu、Xu和Xu實(shí)驗(yàn)室的其他人非常興奮，因?yàn)檫@種蛋白并非完全未知。重要的是，它是發(fā)生突變后導(dǎo)致帕金森病的最高脆弱性基因之一。”

以前對(duì)這種蛋白如何成為帕金森病風(fēng)險(xiǎn)因素的猜測(cè)主要是圍繞著研究它作為鉀離子通道的功能。Hume說，“坦率地說，之前的解釋沒有意義，因?yàn)楹茈y合理地解釋一種機(jī)制，比如改變跨溶酶體的鉀離子通量應(yīng)該導(dǎo)致帕金森病樣的缺陷。但是一旦人們意識(shí)到TMEM175可能是一種質(zhì)子通道，那么該蛋白的突變?nèi)绾文軐?dǎo)致帕金森病的理由就顯得非常明顯了?！?/p>

這些作者通過兩種方式交叉驗(yàn)證了他們的研究工作。首先，Hu和博士生Ce Wang使用了基于蛋白熒光指示劑的質(zhì)子成像，測(cè)量他們敲除TMEM175時(shí)溶酶體的酸度。第二，他們使用了表達(dá)TMEM175蛋白的能力被破壞的小鼠。這意味著它們沒有在溶酶體中制造該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通道。他們發(fā)現(xiàn)，這些基因敲除小鼠的細(xì)胞中出現(xiàn)了α-突觸核蛋白積聚。眾所周知，在帕金森病患者中，α-突觸核蛋白的積累具有毒性。

在這兩種情形下，細(xì)胞顯示出分解細(xì)胞垃圾（包括α-突觸核蛋白聚集物）的酶活性下降，這表明TMEM175負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)細(xì)胞酸度和細(xì)胞垃圾降解。

Xu說，“最后，我們非常確信這就是控制溶酶體中質(zhì)子泄漏的蛋白。這篇論文令人興奮，因?yàn)檫@種蛋白的突變恰好導(dǎo)致較高的帕金森病風(fēng)險(xiǎn)?！保?a >生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Meiqin Hu et al. Parkinson's disease-risk protein TMEM175 is a proton-activated proton channel in lysosomes. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.021.