撰文、解讀 | 魯伯壎（復旦大學生命科學學院教授）

責編 | 迦漵

溶酶體是細胞內極為重要的細胞器，它負責清楚細胞內的“垃圾”，將其重新分解為有用的物質。儘管溶酶體在細胞質內，但是其可以感受細胞外的物質並由此調控自己的狀態和降解能力，這種在細胞內間接感受細胞外環境物質的機制對溶酶體有效率地發揮功能至關重要，其中的分子機制也很有趣。賓夕法尼亞大學Dejian Ren（任德建）課題組在之前的研究中（Cang et.al, 2013，Cell）就揭示了溶酶體膜表面的離子通道TPC1和TPC2如何感應細胞外的氨基酸缺乏等飢餓環境從而增強溶酶體功能，更好地利用溶酶體降解回收氨基酸等生物大分子，從而維持細胞存活。

除了飢餓環境，溶酶體還可以感受細胞外的胰島素等生長因子，這可能參與生長因子對細胞生存的促進作用，但具體機制不明。Ren教授課題組在之前的另外一項研究中揭示了TMEM175是溶酶體膜上的鉀離子通道，並且可以參與極化溶酶體膜電位，從而穩定溶酶體pH值增強溶酶體功能（Cang et.al, 2015 Cell）。那麼TMEM175是否有可能參與了溶酶體對細胞外生長因子的感應呢？

在最新發表這篇題為A growth-factor-activated lysosomal K+ channel regulates Parkinson’s pathology的Nature文章裡，Ren教授課題組及合作者們的研究揭示，TMEM175會與蛋白激酶protein kinase B (AKT) 形成通道複合物，從而感受胞外生長因子，從而將胞外訊號分子與溶酶體功能聯絡起來。

神經元溶酶體電生理記錄顯示，溶酶體的外向鉀離子電流會被細胞飢餓（去除培養基中的B27）阻斷，而該電流在飢餓的情況下可以被胰島素、NGF、BDNF等生長因子啟用。這種生長因子啟用的電流在TMEM175敲除的細胞中則消失，證明TMEM175是介導該電流的主要通道。進一步實驗發現AKT是TMEM175被生長因子啟用的充分和必要因素。AKT結合於TMEM175的通道孔道從而阻斷其電流。而胞外生長因子可以透過受體啟用AKT，從而開啟TMEM175通道。有趣的是AKT對TMEM175的門控，並不依賴於其酶活性，而是依賴於其開啟的構象。這是一種全新的蛋白激酶控制離子通道開關的機制。另一方面AKT也是TMEM175開啟所必需的。如果解離AKT與TMEM175的結合，TMEM175的電流就消失了。綜上所述，開啟構象的AKT是TMEM175產生電流的必要條件，關閉構象的AKT或者沒有AKT的結合，TMEM175則無法產生電流。其中的結構生物學應該很有意思，有待進一步探索。

以上的發現揭示了胞外生長因子調控溶酶體功能的分子機制，但這一分子機制的生理或病理意義何在？溶酶體也被報道與帕金森病 (PD) 等神經退行性疾病有關（Ballabio, 2020, Nat. Rev. Mol. Cell Biol; Laplante, 2012, Cell; Wong, 2019, Trends Cell Biol; Lie, 2019, Neurobiol. Dis.），因此可能參與此類疾病的發病，然而其中的分子機制不明。而另一方面，胰島素等生長因子通路的缺陷也被發現可能參與神經退行（Craft, 2004, Lancet Neurology; Mello, 2019, Front. Neurosci.）。TMEM175本身的突變之前也被發現可能與帕金森病有關（論文ref[24-29]）。那麼TMEM175是否可能是連線生長因子、溶酶體功能、以及神經退行的關鍵分子呢？

Ren教授課題組的這篇論文進一步研究了人群中兩個與PD可能有關的TMEM175的高頻突變SNP，包括可能增加PD風險的rs34311866（對應TMEM175通道的M393T突變）以及可能降低PD風險的突變rs34884217（對應TMEM175通道的Q65P突變）。透過過表達突變通道的HEK293T細胞的電生理記錄以及相應的基因敲入小鼠神經元的電生理記錄發現，M393T突變會降低TMEM175電流約50%，而且具有顯性負效應（dominant negative effect），即突變通道可能降解野生型通道電流，導致雜合子的電流與純合突變類似。而Q65P突變則使得通道電流對胞外生長因子飢餓忍耐力更強，相比野生型飢餓3小時即失去電流，突變型飢餓3小時後電流更大，而6小時候才能完全被阻斷。與課題組之前的研究一致，TMEM175參與維持了溶酶體的功能。

那麼TMEM175是否可能透過影響溶酶體功能，參與神經退行呢？如果是這樣，這也能解釋人群中TMEM175的高頻突變為何會影響PD的發病率。透過與本人所在的課題組課題組以及北京大學楊競課題組的合作，Ren教授及UPenn的 Luk 和 Chen-Plotkin實驗室發現TMEM175的雜合或純合突變會造成體外培養神經元在壓力條件下的加速死亡、PD關鍵蛋白alpha-synuclein的積累及傳播加速、多巴胺能神經元喪失、以及小鼠模型運動神經元功能障礙。而另一方面，Q65P突變則在顯著拯救了神經元在壓力條件下的死亡，而M393T突變則在PD病人中加劇了帕金森病的發展。

綜上所述，該研究揭示了胞外生長因子調控溶酶體的分子機制，而該機制的重要病理功能在於參與神經退行。

關於神經退行方面的研究，本人所在的實驗室和楊競實驗室對上述研究亦做出了重要的貢獻。

本研究有很多亮點。在通道調控方面，論文揭示了生長因子調控溶酶體離子通道這一全新機制。而且該機制透過AKT卻不基於其酶活，是一種全新的離子通道門控機制。在神經退行方面，本論文揭示了常見突變可能參與重大疾病的機制。例如TMEM175的M393T突變率高達17.5%，而在某些種族的人群中甚至高達30%，因此該發現可能與十多億人都有關聯。而另一個常見突變，TMEM175的Q65P功能獲得性突變，由於其對神經退行的可能保護作用，為靶向TMEM175治療PD等神經退行性疾病提供了極好的切入點。該論文也提示了我們要注重常見突變研究，特別是分子機制研究的重要性。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03185-z