匹兹堡大学团队发现溶酶体修复的核心机制，填补近五十年研究空白，预计将对人体生理和病理学产生巨大影响

“燕子去了，有再来的时候；杨柳枯了，有再青的时候；桃花谢了，有再开的时候。但是，聪明的，你告诉我，我们的日子为什么一去不复返呢？——是有人偷了他们罢：那是谁？”这是散文家朱自清《匆匆》一文中的名句。偷走时间、带来衰老的到底是谁？生物学家给出了一则新答案。

这得从溶酶体（lysosomes）说起，它是动物细胞中的一种非常重要的细胞器，一旦受损则会导致衰老类疾病。因此，细胞如何修复受损的溶酶体，也成为生物学界的关注重点之一。

近日，美国匹兹堡大学医学院细胞生物学系衰老研究所博士发现了修复溶酶体的核心机制，相关论文发表在《Nature》上。作为该机制的第一位发现者，他将其命名为 PITT 途径（phosphoinositide-initiated membrane tethering and lipid transport）。有趣的是，PITT 恰好也是匹兹堡大学的英文简称。

（来源：Nature）

对于此次成果，表示：“PITT 途径中第一个关键酶的缺失会导致严重的神经退行性疾病和早衰。在这项工作之前，这些症状的分子基础是未知的。 现在，PITT 途径的发现为我们理解与溶酶体功能障碍相关的衰老和疾病提供了新的思路。”

之前，学界所理解的溶酶体修复机制中、涉及到的蛋白分子，并不是溶酶体修复所特有的。因此，很难通过药物来特异性地激活这些修复机制，进而去保护溶酶体。

而对于如何通过药物来保护溶酶体，本次研究提供了一个新思路。可以预见的是，通过小分子来激活 PITT 途径中的关键蛋白，即可提高溶酶体活性，从而推迟或缓解衰老、以及与衰老相关的疾病，比如老年痴呆症和心血管疾病等。

图 | 谭小军（来源：）

表示：“我们相信，PITT 途径的发现代表了一项重大进展，对理解动物细胞如何维持溶酶体的完整性提供了全新认识。在诸多完全不同机制导致的溶酶体损伤情况下，无论是化学损伤或与疾病相关的损伤，比如导致尘肺的二氧化硅粉末、溶酶体贮积症相关的基因敲除、以及新冠肺炎病毒的一个效应蛋白等导致的不同程度溶酶体损伤，都能激活 PITT 途径。因此，PITT 途径可能是溶酶体快速修复的通用机制。”

同时还预计，PITT 途径将对人体生理和病理学产生巨大影响，因为特别是像神经元和心肌细胞等停止有丝分裂的细胞，它们严重依赖溶酶体活性来维持胞内平衡。

具体来说：

Tau 蛋白聚集体的形成，与阿尔茨海默病的临床症状密切相关。它的迁移与扩散，是阿尔茨海默病进展的关键步骤。其中，溶酶体的膜损伤，会使内吞后 的 Tau 蛋 白纤维逃离溶酶体水解，进而入侵健康神经元的细胞质，最终引发正常 Tau 蛋白的纤维化并完成扩散。

研究中该团队也发现， PITT 途径的缺失会严重加 剧 Tau 纤维的 扩散。这表明完整、高效的 PITT 途径，可能会帮助我们避免罹患阿尔茨海默病。

当 PITT 途径缺失时，细胞中的脂褐质会增加。而脂褐质恰恰是衰老溶酶体的病理特征，也是细胞衰老的标志。先前已有研究发现，在小鼠模型和人类患者中，缺失 PITT 途径的第一个关键酶，会导致严重的神经退行性病变和早衰。

那么，这到底是为什么？

如前所述，溶酶体在细胞生理中发挥着重要作用，其内部含有大量的水解酶，可用于降解生物大分子。溶酶体不仅控制着细胞的营养感知、营养回收和细胞生长，而且还介导消化清除各种细胞应激源，包括清除病原体、蛋白聚集物、及其他受损生物大分子。

不要把所有鸡蛋放在一个篮子里，对于细胞来说同样如此。当诸多重要功能都依赖于同一种细胞器，如果该细胞器的功能受损，就会产生致病风险。

事实上，当人体不同细胞的溶酶体功能受损时，就会导致各种疾病，有时甚至是重病。有关人类遗传学的研究已经证明，溶酶体功能障碍与衰老以及许多疾病都密切相关。

比如，在各种神经退行性疾病以及心血管疾病的病理检测中，通常都能看到受损溶酶体的聚集。与此恰恰相反的是，多种长寿动物模型在年迈之时，仍能维持不错的溶酶体功能。

而且，在已通过验证的抗衰老干预措施里，多数都能改善溶酶体质量和活性。总之，保护好溶酶体，既能抗衰老、还能少生病。

（来源：Nature）

早在 20 世纪 50 年代，当来自英国的比利时裔细胞生物学家克里斯汀·德·迪夫（Christian René de Duv）发现溶酶体的时候，他就已经意识到溶酶体的损伤，可能会导致严重后果。

但是，过去很多年间，学界主要关注溶酶体损伤的致病机制，而没有意识到细胞其实可以高效地修复溶酶体损伤，从而避免疾病的发生。

从 2009 年到 2018 年，科学家逐步找到了细胞处理溶酶体损伤的不同途径，包括修复、去除、更换受损溶酶体。然而，研究证据表明，这些已知的处理途径都不是“杀手锏”，也都不足以及时阻断溶酶体泄漏，进而避免细胞死亡等严重后果。

话说回来，既然溶酶体的功能非常重要，那么动物细胞必然早已进化出了核心、高效的快速修复途径。基于此，开始寻找溶酶体修复的核心机制。

然而，要想阐明快速修复溶酶体的核心机制，面临着诸多挑战：

其一，膜修复过程是高度动态化的，因此很难捕获直接参与修复的蛋白质；

其二，此前人们对于修复过程知之甚少，对于溶酶体的快速修复更是一无所知。只知道内体分选复合物会被迅速招募到受损溶酶体，从而进行潜在的膜重塑。但是，这不并是核心途径。

其三，溶酶体膜修复可能涉及到许多蛋白与各种脂质之间的相互作用。然而，哪些蛋白参与了溶酶体损伤的反应过程？脂质有何变化？这些也都是未知数。

值得庆幸的是，课题组发现当溶酶体受损时，其表面会迅速促发一种脂质信号 PI4P，该信号通过招募四个 ORP 家族蛋白，来推动内质网和溶酶体之间的强烈互作，并进一步激活互作位点的多种脂质转运，最终直接对溶酶体进行修复。而之所以将这一通路命名为 PITT 途径，原因在于它是溶酶体快速修复的核心机制。

近日，相关论文以《磷酸肌醇信号通路介导溶酶体快速修复》（）为题发布，担任一作兼共同通讯作者，匹兹堡大学医学中心老龄化研究所托伦·芬克尔（）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature）

审稿人分别表示，这项研究可谓引人入胜，它涉及到细胞生物学的一个重要问题，即如何维持溶酶体的完整性。而该论文提出了一种修复受损溶酶体的新机制，并在细胞器之间膜接触部位的脂质交换与溶酶体完整性之间提出了一个有趣的联系。

（来源：Nature）

具体研究主要有 3 个阶段：筛选新蛋白、鉴定新通路、阐释新机理。

在筛选新蛋白这一步，为了寻找溶酶体修复的潜在蛋白，该团队设计并执行了一个蛋白质组学筛选实验，以寻找在受损溶酶体表面特异富集的蛋白。其使用生物素连接酶 TurboID 特异性地快速标记溶酶体损伤前后、其表面的所有蛋白。

而为了克服修复过程的动态性质，课题组通过一种小分子持续诱导溶酶体损伤，以刺激更多膜修复蛋白的募集。

然后，使用链霉亲和素纯化被生物素标记的蛋白，并进行质谱分析。“这一新工具使我们能够回答，哪些蛋白质被招募到了受损的溶酶体上，以便进一步分析它们是否促进、如何促进溶酶体膜的快速修复。”表示。

在鉴定新通路这一步，该团队通过质谱分析得到了 1800 多个蛋白，其中有大约 300 个蛋白在受损溶酶体表面富集。

说到这里，表示：“我们非常兴奋，因为其中包括多个期待看得到的分子，包括内体分选复合物的许多亚基，以及自噬的一个接头蛋白 p62，这些分子先前已经被报道会聚集在受损溶酶体表面。它们出现在质谱分析结果中靠前的位置，说明我们的标记与纯化方法是可行的。”

那么，真正的溶酶体核心修复途径，可能就藏在这 300 多个蛋白当中。通过分析，课题组提出了十多种潜在的修复机制，并测试了其背后的特定蛋白。

最终发现，有一组蛋白来自于同一个新的信号通路——即 PI4P 脂质信号通路。质谱分析结果表明，受损溶酶体表面不仅聚集了产生 PI4P 的激酶 PI4K2A，而且招募了多个 PI4P 效应蛋白，它们都来自于同一个 ORP 蛋白家族。

从溶酶体受损、到 PI4K2A 的富集、到 PI4P 信号的产生、再到多个 ORP 蛋白的招募，这些步骤全都得到了细胞生物学和遗传学实验的严格验证。

（来源：Nature）

而在阐释新机理这一步，研究人员对 PI4P 信号通路如何介导溶酶体快速修复，进行了详尽的分析与阐释，这是最漫长的过程。 首先是发现了 PI4P 信号推动新的细胞器间互作：即内质网与受损溶酶体之间的强烈膜结合。

然后详细阐释了内质网和受损溶酶体之间的特异性脂质交换：PI4P 被替换成了胆固醇和磷脂酰丝氨酸。

最后进一步确定了 ATG2 最终在 PS 的帮助下，直接修复溶酶体漏洞。而针对新型修复机理中的每一步，课题组都进行了反复的验证，直到所有可能的方法、包括审稿人提出的各种方案都用尽了，这时还没有被淘汰的假设就成了研究的结论。

是在 2020 年发现了 PITT 途径，新冠疫情带来了很多不确定性。整个研究所在疫情初期关门三个月，只允许因核心实验偶尔去实验室，为了尽量不影响研究进度，他 利用这段“家里蹲”的时间，让多个 PITT 途径相关的基因敲除单克隆细胞株长了出来。

所幸使用的细胞系非常“皮实”，因此在后来解冻出来的细胞中鉴定出了正确的基因敲除细胞株，为后续的实验提供了有力的工具，也最大程度上减少了新冠疫情给研究带来的不利影响。

后续，仍有两大方向等待推进。第一，该团队在继续探寻、细胞修复溶酶体之后，如何迅速恢复溶酶体的水解活性。第二，团队也正在寻找能够激活 PITT 途径的小分子，以便在基础和临床研究中探索激活 PITT 途径可能给病人带来的好处。

从美国食品药品管理局批准用于临床的几千个小分子药物库中，已经鉴定出潜在的 PITT 通路激动剂，这些化合物具有治疗溶酶体相关疾病的潜力。

其次，这项小分子药物筛选实验，也为进一步阐释 PITT 通路的调节机制提供线索。由于这些化合物已经被充分研究，因此它们在细胞中的具体靶点和作用机理非常清楚。

而由于这些化合物能够激活 PITT 途径，所以它们的靶向通路可能参与调节 PITT 途径。 未来，该团队将评估这些通路对溶酶体修复的影响，并将继续探索 PITT 激动剂在体外和体内疾病模型中的转化潜力。

参考资料：

1.Tan, J.X., Finkel, T. A phosphoinositide signalling pathway mediates rapid lysosomal repair. Nature 609, 815–821 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05164-4