Cell：斯坦福团队首次绘制大脑的溶酶体蛋白图谱

正常运作的脑细胞需要一个高效的系统来清理垃圾和分类回收物质。不过，当负责这些任务的细胞净化装置（溶酶体）出现故障或不堪重负时，就会增加患阿尔茨海默病、帕金森病及其他神经系统疾病的风险。

斯坦福大学化学工程系助理教授Monther Abu-Remaileh指出：“溶酶体功能对大脑健康至关重要，溶酶体基因的突变是神经退行性疾病的风险因素。” 

问题在于，科学家并不完全清楚溶酶体是如何发挥作用的，以及溶酶体出了什么问题才会导致神经退行性病变。或许还存在其他尚未发现的溶酶体疾病。 

这一局面或将改变。

斯坦福大学等机构的研究人员近日首次绘制出大脑溶酶体蛋白图谱，揭示了不同脑细胞类型中与溶酶体关联最密切的蛋白质。这些数据将助力科学界深入了解溶酶体的功能机制以及溶酶体功能失调时会发生什么。

研究团队于1月22日在《Cell》杂志上发表了研究成果。他们利用该图谱将一种罕见的神经系统疾病——SLC45A1相关疾病——与溶酶体功能障碍关联起来。

这项新研究基于Abu-Remaileh团队早期在溶酶体上开展的蛋白质组学研究。他们意识到，难点在于如何将溶酶体与其他细胞器分离，同时又完整保留其内部的化学成分。

几年前，Abu-Remaileh团队开发出一种名为LysoIP的新方法，该方法可以标记溶酶体，使其与其他细胞组分分离。2022年，实验室将这项技术扩展到基因改造小鼠，使溶酶体能够自动表达该标记。

基于这种名为LysoTag的方法，研究人员发现了蛋白质CLN3在脂质分解中的作用，以及CLN3缺失如何导致巴顿病（Batten disease），这是一种罕见的儿童疾病。

于是，他们开始思考：如果能更深入地了解像CLN3这样的蛋白质在大脑中的主要分布区域，或许就能更清楚地掌握它们的功能与异常机制。

Abu-Remaileh及其同事首先扩展了LysoTag的功能，将其与一种靶向特定细胞的方法相结合。通过这种方式，他们将LysoTag添加到特定细胞类型中，并从四种主要脑细胞类型（神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞）中分别提取溶酶体蛋白。

随后，研究人员与德国莱布尼茨老年病研究所的Julia Heiby和Allesandro Ori合作，开发了数据分析工具，以确定哪些蛋白质与这四种脑细胞中的溶酶体关联最密切。

借助这些工具，研究团队构建出一份图谱，包含790种与溶酶体相关的蛋白质，这些蛋白质在溶酶体中的存在概率远高于其他部位。

他们发现67种溶酶体蛋白与痴呆症、帕金森病及溶酶体贮积症相关。进一步分析显示，其中部分蛋白在特定细胞类型中的表达量明显更高。例如，与额颞叶痴呆相关的GRN蛋白，在与神经退行性病变密切相关的小胶质细胞中的丰度远高于其他细胞类型。

图谱中的另一种蛋白质引起了团队的关注。研究人员知道SLC45A1蛋白参与糖类跨膜运输，其突变会导致智力障碍及神经精神症状，但此前无人将其与溶酶体或溶酶体功能障碍关联起来。

体外和体内实验的结果表明，SLC45A1缺失会破坏溶酶体降解过程，导致溶酶体难以清除废物。这强烈表明SLC45A1相关疾病属于溶酶体贮积症。

SLC45A1作为溶酶体糖类转运蛋白发挥作用，并影响V-ATPase的V1亚基稳定性。研究发现，SLC45A1缺失会降低溶酶体V1亚基水平，升高溶酶体pH值，破坏铁稳态，进而导致线粒体功能障碍。

研究人员认为这一发现只是起点。共同第一作者、斯坦福大学的Ali Ghoochani表示，他们计划深入解析SLC45A1在溶酶体中的功能，最终有望为治疗方法提供依据。

“我们的研究结果揭示了大脑中细胞类型特异性的溶酶体蛋白质组学景观，为未来探索溶酶体生物学及其在神经系统疾病中的作用奠定了基础，” 作者在文中写道。