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《自然-細(xì)胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）于9月12日以長文（Article）形式在線發(fā)表中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所楊崇林研究組與中國科學(xué)院昆明植物研究所郝小江研究組的合作研究論文PKC controls lysosome biogenesis independently of mTORC1。該論文揭示了細(xì)胞內(nèi)溶酶體生成的重要信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控機(jī)制。
溶酶體是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)降解和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要中心之一。溶酶體降解來源于細(xì)胞內(nèi)、外的各種底物，如內(nèi)吞膜蛋白及小分子物質(zhì)、凋亡細(xì)胞、病原菌和自噬小體等。溶酶體的功能紊亂直接導(dǎo)致70多種溶酶體貯積病，且與神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)?？刂萍?xì)胞代謝的關(guān)鍵激酶mTOR定位于溶酶體上，通過感知細(xì)胞的營養(yǎng)狀態(tài)來調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長和代謝。已有研究發(fā)現(xiàn)，mTOR可以磷酸化溶酶體生成的轉(zhuǎn)錄因子TFEB和TFE3，抑制細(xì)胞內(nèi)的溶酶體生成。當(dāng)細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時(shí)，mTOR不能磷酸化TFEB/TFE3。未磷酸化的TFEB/TFE3因而進(jìn)入細(xì)胞核中啟動(dòng)溶酶體生成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)溶酶體的發(fā)生。但是，在正常營養(yǎng)供給狀態(tài)下，細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)內(nèi)、外界信號(hào)而促進(jìn)溶酶體的生成，是一個(gè)懸而未決的重要問題。
楊崇林研究組與郝小江研究組合作，以huo性天然小分子為探針，從化學(xué)生物學(xué)的角度探索溶酶體發(fā)生和穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控機(jī)制。該研究首先建立溶酶體生成的篩選體系，經(jīng)過大量篩選，從植物天然產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了能在細(xì)胞正常營養(yǎng)狀態(tài)下促進(jìn)溶酶體生成的、以HEP14和HEP15為代表的一類巨大戟烷型二萜類化合物（圖A）。該研究發(fā)現(xiàn)，HEP14及其類似物通過不依賴于mTOR的方式選擇性地激huo轉(zhuǎn)錄因子TFEB，促進(jìn)溶酶體生成。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該類化合物直接激huo蛋白激酶C（PKC）家族的成員PKCa和PKCd，導(dǎo)致蛋白激酶GSK3b的磷酸化，使之失huo。該研究表明，GSK3b可以直接磷酸化TFEB的134位和138位的絲氨酸，使TFEB處于非huo化狀態(tài)，抑制溶酶體的生成。因此，PKC激huo引發(fā)的GSK3b失huo可以誘導(dǎo)TFEB入核而激huo，從而促進(jìn)溶酶體的發(fā)生。另一方面，該研究還發(fā)現(xiàn)PKCd的激huo可以使溶酶體相關(guān)基因的抑制因子ZKSCAN3從細(xì)胞核中移位到細(xì)胞質(zhì)中而失huo，從而解除其對(duì)溶酶體生成的抑制（圖B）。這一作用主要源于PKCd激huo導(dǎo)致的蛋白激酶JNK和p38的激huo，它們可以使ZKSCAN3的153位蘇氨酸發(fā)生磷酸化，引發(fā)ZKSCAN3的核-質(zhì)移位。因此，PKC作為一個(gè)主控開關(guān)，控制兩條平行的信號(hào)通路，分別激huo溶酶體相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子TFEB和失huo轉(zhuǎn)錄抑制因子ZKSCAN3，從而促進(jìn)溶酶體的發(fā)生（圖C）。
由于許多細(xì)胞外信號(hào)（如生長因子、激素、趨化因子、神經(jīng)遞質(zhì)、病原侵染等）可以與細(xì)胞膜上的受體（如RTK?GPCR和TLR等）結(jié)合，產(chǎn)生第二信使二酰甘油（DAG）而激huoPKC。因此PKC介導(dǎo)的溶酶體生成是細(xì)胞在響應(yīng)外界信號(hào)時(shí)產(chǎn)生溶酶體適應(yīng)（lysosomal adaptation）的一種重要調(diào)控機(jī)制。
該研究還發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞模型中，激huoPKC的二萜類化合物HEP14通過依賴于溶酶體的方式促進(jìn)脂滴和變性蛋白聚集體的清除。在阿爾茨海默疾病的APP/PS1小鼠模型中，腹腔注射HEP14可顯著減少小鼠腦部淀粉樣蛋白沉積斑塊的累積。研究表明這一效應(yīng)依賴于PKC的激huo。這些結(jié)果提示PKC的激huo劑可能成為治療溶酶體貯積病及神經(jīng)退行性疾病的潛在藥物。
楊崇林和郝小江為該論文的共同通訊作者。楊崇林研究組的博士后李洋和博士研究生徐猛為該論文的共同*作者；蹇友理、劉學(xué)釗和劉鍇參與細(xì)胞和生化實(shí)驗(yàn)；郝小江研究組成員丁驍、晏晨、邸迎彤、唐貴華、穆淑珍等參與了干預(yù)溶酶體生成的huo性測試、化合物樣品的制備、光親和標(biāo)記物的合成；遺傳發(fā)育所郭偉翔、汪迎春、黃夏禾和湯長勇在小鼠分析和蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析方面提供了重要幫助；中科院生物物理研究所苗龍、陳聯(lián)萬和遺傳發(fā)育所楊崇林研究組的王鑫在免疫電鏡分析方面提供了重要幫助；遺傳發(fā)育所李婷在流式細(xì)胞術(shù)分析方面提供了重要幫助；HEP14等樣品zui早由貴州省-中科院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郝小江研究組的宋智琴等提供。該研究受到國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部以及中科院項(xiàng)目資助。
(A) HEP14和HEP15促進(jìn)溶酶體的生成。(B) HEP14誘導(dǎo)TFEB-EGFP從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核轉(zhuǎn)移，同時(shí)mCherry-ZKSCAN3從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移。(C) 饑餓誘導(dǎo)的溶酶體發(fā)生機(jī)制（左）和PKC介導(dǎo)的溶酶體發(fā)生機(jī)制（右）的比較。
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