溶酶体中胆固醇感受器：GPCR类似蛋白LYCHOS

撰文丨十一月

胆固醇是膜生物发生的重要组成部分，同时也是关键的信号分子，通过不同类固醇激素的配体或者前体对胚胎发育以及多种生理过程进行调节【1】。另外，胆固醇的数量与活性的异常与肥胖、动脉粥样硬化、不孕症以及癌症等疾病相关，这使得胆固醇准确感知极为重要。但是目前关于细胞中如何感受胆固醇含量以及如何向生长途径发出信号尚不清楚。在细胞中，溶酶体是关键的营养感知中心【2】。在溶酶体中，主要的生长调节蛋白激酶mTORC1整合包括营养物质、生长因子、能量、氧气、应激胁迫等环境信号，触发下游合成代谢程序【3】。那么溶酶体中感受胆固醇信号的因子是什么呢？为了揭开这一问题的答案，美国加州大学伯克利分校Roberto Zoncu研究组在Science发文题为Lysosomal GPCR-like protein LYCHOS signals cholesterol sufficiency to mTORC1，通过对溶酶体蛋白质的分析，作者们发现了溶酶体胆固醇信号感受因子LYCHOS，并解开了LYCHOS感受胆固醇并转为细胞合成代谢程序的具体分子机制。

为了鉴定出溶酶体专用胆固醇传感器，作者们设计了一种生物信息学方法来分析已发表和未发表的溶酶体蛋白质数据库中的611种因子。该列表中所包含的因子在溶酶体相关生物过程中富集。作者们进行筛选的标准是：1）该蛋白质具有跨膜拓扑结构，这通常在代谢物受体中存在；2）具有较大的环状结构，可以促进细胞质效应因子的相互作用；3）存在与信号转导相关的结构域；4）没有其他细胞器的定位，具有特异性（图1）。

图1 溶酶体胆固醇感受器筛选

经过层层角逐和分析，有5个跨膜蛋白满足上述所有条件：氯化物电压门控通道CLCN5、 CLCN6和CLCN7，磷脂酶D家族成员 PLD3以及G蛋白偶联受体GPR155（图1）。其中，GPR155由于其拓扑特征而引起了作者们的注意。GPR155的N端具有一个10次跨膜结构，C端具有DEP（Dishevelled, Egl-10与Pleckstrin）结构域。基于UniProt和Alphafold结构预测，作者们预测GPR155中总共具有17次跨膜拓扑结构。进一步地，通过与溶酶体标记物共同免疫荧光染色，作者们确定GPR155特异性定位于溶酶体。由于随后对于其功能的鉴定，作者们将GPR155称为溶酶体胆固醇信号途径蛋白LYCHOS（LYsosomal CHOlesterol Signaling protein）。

随后作者们想知道LYCHOS是否调控mTORC1信号通路的激活。因此，作者们首先在HEK293T细胞中通过CRISPR-Cas9或shRNA敲降LYCHOS，发现LYCHOS敲降可以降低mTORC1在完全营养条件下的表达。相反，瞬时过表达的LYCHOS则会以剂量依赖的方式促进mTORC1底物的磷酸化。此外，与mTORC1信号降低结果相一致的是，LYCHOS缺失导致细胞增殖的显著抑制，通过用野生型LYCHOS的表达可以挽救LYCHOS缺失的细胞增殖能力。

随后，作者们测试了LYCHOS是否能通过特定的营养刺激激活mTORC1。在LYCHOS敲除细胞中，通过氨基酸或者的葡萄糖的急性饥饿-再喂养激活mTORC1均未受到影响。相反，胆固醇刺激mTORC1需要LYCHOS。因此，LYCHOS似乎是mTORC1溶酶体支架复合物的胆固醇依赖性激活所必需的。

LYCHOS的N端具有GPCR类似结构域以及DEP结构域，说明其可能作为胆固醇转运蛋白或者是效应蛋白发挥作用。通过对照组与LYCHOS敲除组细胞中分离溶酶体脂质组分析，发现失去LYCHOS后溶酶体中总胆固醇含量没有显著的差异。那么LYCHOS可能是作为胆固醇感受器发挥的作用。通过蛋白纯化以及蛋白质亲和测试，作者们发现LYCHOS通过其N端结合胆固醇。

为了揭开LYCHOS感受胆固醇的分子机制，作者们通过将LYCHOS与TurboID生物素连接酶融合，进行LYCHOS临近蛋白质组学分析。作者们发现了一系列与LYCHOS特异性结合的蛋白，通过免疫共沉淀实验，作者们确定LYCHOS通过与GATOR1相互结合并抑制来促进mTORC1信号通路发挥作用的（图2）。

图2 工作模型

总的来说，作者们的工作鉴定发现了溶酶体上特异性胆固醇感受器蛋白LYCHOS，这是一种多结构域跨膜蛋白，能够激活主要生长调节剂 mTORC1的蛋白激酶。LYCHOS通过溶酶体途径感知胆固醇，并将胆固醇浓度偶联到mTORC1依赖的合成代谢信号，促进细胞内胆固醇水平的稳定。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg6621

制版人：十一

参考文献

1. J. Luo, H. Yang, B.-L. Song, Mechanisms and regulation of cholesterol homeostasis.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.21, 225–245 (2020). doi:10.1038/s41580-019-0190-7 Medline

2. H. R. Shin, R. Zoncu, The Lysosome at the Intersection of Cellular Growth and Destruction.Dev. Cell54, 226–238 (2020). doi:10.1016/j.devcel.2020.06.010 Medline

3. G. Y. Liu, D. M. Sabatini, mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease.Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 183–203 (2020). doi:10.1038/s41580-019-0199-y Medline

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