Cell：重大进展！揭示TMEM175和V-ATP酶携手调节溶酶体酸度以及TMEM175发生突变时为何增加帕金森病风险

在一项新的研究中，来自密歇根大学的研究人员指出在大约五分之一的帕金森病病例中，要把溶酶体中的一种小的、功能失常的蛋白作为风险因素。相关研究结果发表在2022年6月23日的Cell期刊上，论文标题为“Parkinson’s disease-risk protein TMEM175 is a proton-activated proton channel in lysosomes”。

溶酶体是细胞的垃圾收集器。这些细胞器负责分解细胞中的“垃圾”---错误折叠的蛋白、磨损的细胞器。细胞在一种称为自噬的过程中收集这些垃圾。自噬密切依赖于溶酶体的功能，当溶酶体发生故障，这一过程被破坏，导致细胞碎片堆积，就会发生各种疾病。其中许多是退行性疾病，如阿尔茨海默病、杜兴氏肌肉营养不良症和泰勒-萨克斯病（Tay-Sachs disease）。

在这项新的研究中，这些作者发现了一种名为TMEM175的突变蛋白如何在大约20%的帕金森病病例中充当风险因素。在帕金森病中，控制运动的大脑区域中的神经细胞开始失效和死亡。据美国国家老龄化研究所的说法，科学家们认为帕金森病是遗传和环境因素共同作用的结果。

这些作者发现，如果发生突变，TMEM175不能正确地调节溶酶体内环境的酸度。如果该环境的酸度不正确，溶酶体内的酶就会停止有效工作，这种细胞器就不能正确发挥其作用。

论文通讯作者、密歇根大学分子、细胞与发育生物学教授Haoxing Xu说，“溶酶体实际上需要一个最佳的pH值。可以与人体体温进行类比：人体体温必须是37摄氏度。38度太高，36度太低。溶酶体中的酶需要一个大约4.6的最佳pH值。任何超出4.6的pH值都可能导致代谢功能紊乱，从而导致细胞垃圾堆积，最终导致神经变性和代谢性疾病。”

为了使溶酶体保持酸性平衡，Xu知道必须有离子通道通过调节溶酶体内的氢离子（在这里称为质子，即氢原子的原子核被剥夺了电子）的浓度来调节这种细胞器的酸度。

Xu及其研究团队首先确定了溶酶体内腔的确切酸度。然后，他们梳理了一份与溶酶体有关但尚未被很好描述的蛋白清单。

论文共同作者、密歇根大学分子、细胞与发育生物学教授Richard Hume说，人们非常了解的是质子如何进入溶酶体：一种特定的膜转运蛋白，称为V-ATP酶，可以装载质子，但不清楚的是如何达到平衡，即如何使pH值达到4.6，而不是让它继续变酸。一些间接证据提示着，溶酶体中可能有一种质子渗透通道在某种程度上参与了pH值的平衡，但是它的分子基础尚不清楚。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.021。

Xu说，“我们感兴趣的是，如果有V-ATP酶将质子泵入，那么溶酶体一定有一种离子通道蛋白，它在溶酶体内的质子水平过高时释放质子。”

为了研究溶酶体中的离子通道，Xu实验室之前开发了一种称为溶酶体膜片钳（lysosome patch-clamp）的专门技术。溶酶体膜片钳使得他们能够有选择地“打开”溶酶体中的某些离子通道，以便更好地了解它们的功能。他们已经用这种技术找到了其他离子的通道：钙离子、钠离子、钾离子、氯离子和铁离子，如今还有质子。

论文共同作者、密歇根大学博士后研究员Meiqin Hu和Ping Li列出了所有已知存在于溶酶体中的膜蛋白的编码基因，然后进行了过表达筛选试验。这意味着他们一次测试了几十个膜蛋白，看看溶酶体的膜是否对质子变得更加通透。这表明，他们筛选的其中一种候选膜蛋白与溶酶体中的质子流出有关。

Hume说，这些作者锁定了跨膜蛋白TMEM 175，它在过表达筛选试验中使得质子通透性得到了极大的增强。

Hume说，“这让Hu、Xu和Xu实验室的其他人非常兴奋，因为这种蛋白并非完全未知。重要的是，它是发生突变后导致帕金森病的最高脆弱性基因之一。”

以前对这种蛋白如何成为帕金森病风险因素的猜测主要是围绕着研究它作为钾离子通道的功能。Hume说，“坦率地说，之前的解释没有意义，因为很难合理地解释一种机制，比如改变跨溶酶体的钾离子通量应该导致帕金森病样的缺陷。但是一旦人们意识到TMEM175可能是一种质子通道，那么该蛋白的突变如何能导致帕金森病的理由就显得非常明显了。”

这些作者通过两种方式交叉验证了他们的研究工作。首先，Hu和博士生Ce Wang使用了基于蛋白荧光指示剂的质子成像，测量他们敲除TMEM175时溶酶体的酸度。第二，他们使用了表达TMEM175蛋白的能力被破坏的小鼠。这意味着它们没有在溶酶体中制造该转运蛋白通道。他们发现，这些基因敲除小鼠的细胞中出现了α-突触核蛋白积聚。众所周知，在帕金森病患者中，α-突触核蛋白的积累具有毒性。

在这两种情形下，细胞显示出分解细胞垃圾（包括α-突触核蛋白聚集物）的酶活性下降，这表明TMEM175负责调节细胞酸度和细胞垃圾降解。

Xu说，“最后，我们非常确信这就是控制溶酶体中质子泄漏的蛋白。这篇论文令人兴奋，因为这种蛋白的突变恰好导致较高的帕金森病风险。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Meiqin Hu et al. Parkinson's disease-risk protein TMEM175 is a proton-activated proton channel in lysosomes. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.021.