Nature：斯坦福大学团队确定溶酶体中所有分子

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作者：Lily

导读：溶酶体虽然体积小（仅占细胞体积的1-3%），但却有着强大的功能，在细胞中起着惊人的作用：这些小囊是细胞的回收中心——溶酶体中聚集着各种酶，这些酶将“没有用”的分子分解成小块，这些小碎片又可以组装成新的分子。溶酶体功能障碍可导致各种神经退行性疾病或其他疾病。然而目前，我们还未找到更好的方式来研究溶酶体的内部物质；因此相关疾病的确切分子机制及靶向药物仍是难以捉摸。

近日，来自斯坦福大学的研究者运用了一种新方法，确定小鼠体内所有细胞的溶酶体中存在的所有分子；此成果有望帮助了解细胞材料的不当降解将如何引发某些疾病。借此，研究团队还更多地了解了巴顿病（一种目前无法治愈的神经退行性疾病）的病因，这将有望产生新治疗方法。

该研究于9月21日发表于《自然》（Nature）杂志。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05221-y

此研究的通讯作者、斯坦福大学化学工程和遗传学助理教授Abu-Remaileh表示：“不管是从基础（fundamentally）还是临床（clinically）的角度看，溶酶体的功能都是十分强大的：它们为细胞的其余部分提供营养，但我们并不知道它们是如何及何时提供这些养分。此外，溶酶体还是许多疾病——特别是那些影响大脑的疾病——开始的地方。”

位于溶酶体中的一些蛋白质与许多疾病有关；一旦这些蛋白质的遗传指令发生突变，将引发“溶酶体储存障碍（溶酶体储存障碍）”。然而，长期以来，其中一些蛋白质的功能困扰着科学家们；对这些蛋白质如何进行工作进行研究，可以帮助研究者更好地对相关疾病进行诊断、监测和治疗。

该研究的第一作者Nouf Laqtom表示：“如果科学家想研究特定蛋白质在细胞中的作用，他们可能会阻断或刺激其功能，看看某些分子是否出现或消失；但研究溶酶体的内容是一个规模问题——如果发生了什么事情，一个分子在溶酶体中大量生长200倍；但如果你观察整个细胞，将只会观察到两倍的增加。揭示性的结果被埋没在噪音中。”

为了平息噪音，研究人员必须将溶酶体与细胞中的其他所有物质分开。之前，团队已经开发出一种方法，可以在实验室中生长的细胞中做到这一点，但他们想开发一种在小鼠中做同样的事情的方法。

为每个溶酶体安装小分子标签

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研究者寻求分离溶酶体的第一步是在小鼠的基因上进行微小的改变，在整个动物的每个溶酶体表面上安装一个小分子标签。在任何时候，当他们想停下来检查小鼠溶酶体中的分子时，比如在禁食或喂他们特定的食物之后，他们打开想要检查的细胞中的标签，然后取出组织并小心地研磨它，以打破细胞而不会破坏内部的溶酶体。

为了从细胞污泥中捕获溶酶体，该团队依靠磁铁。在他们的浆料中，他们添加了微小的磁珠，每个磁珠都装饰有分子夹，抓住他们以前安装的溶酶体标签。他们可以使用第二块磁铁选择性地收集所有溶酶体，然后分解溶酶体以揭示安全藏在里面的分子。质谱法是一套确定混合物中不同分子重量的工具，然后帮助研究人员识别溶酶体分子大杂烩中的个体。那些增长或减少的会给科学家指出某些途径或功能。

除了每个溶酶体上的小额外标签外，这些“LysoTag”小鼠是正常的实验室小鼠。现在，几乎任何研究人员都可以使用这些小鼠来研究溶酶体在不同疾病中的作用。

“这些老鼠可以免费供研究界的任何人使用，人们已经开始使用它们，”Abu-Remaileh说。“我们希望这将成为黄金标准。

该方法的卡通示意图：

它允许科学家分离小鼠中任何细胞的溶酶体（左），以使用质谱法（右）分析、识别溶酶体内部的所有分子。

指引正确的方向

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该团队渴望应用他们的方法研究脑细胞中发现的溶酶体，以更好地了解神经退行性溶酶体储存疾病，从CLN3疾病或幼年巴顿病开始。“我们相信，这是我们可以帮助解决的最紧迫的问题之一。” Abu-Remaileh教授表示。

由编码称为CLN3的蛋白质的基因突变引起，幼年Batten病是致命的，并导致儿童和年轻人的视力丧失，癫痫发作以及进行性运动和精神恶化。CLN3蛋白存在于溶酶体的膜上，但没有人确定其在细胞中的功能或其功能障碍如何导致观察到的症状。

使用LysoTag小鼠，研究人员与Sarafan ChEM-H代谢组学知识中心（Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center）和怀特黑德研究所代谢组学核心设施（Whitehead Institute Metabolomics Core Facility）的专家合作，发现在具有CLN3疾病突变的小鼠中，一种称为甘油磷酸二酯（简称GPD）的分子的量急剧增加。这些GPD是在构成我们体内每个细胞膜的脂肪分子降解过程中暂时形成的。

在健康细胞中，GPD不会在溶酶体中积聚;它们被导出到细胞的不同部分，然后在那里它们被降解成更小的部分。研究人员现在认为，CLN3蛋白在这种输出中起着重要作用，要么直接将分子穿梭出来，要么帮助另一种蛋白质完成这项工作。他们在CLN3病患者的脑脊液中发现了GPD分子，这表明临床医生可以潜在地监测GPD水平，以衡量未来治疗的成功。该团队现在正在确定哪些GPD分子可能是有毒的，以及参与制造和出口GPD的蛋白质如何与新药靶向。他们还在应用他们的方法研究其他涉及溶酶体基因突变的疾病，如帕金森病。

Abu-Remaileh实验室的前博士后学者Laqtom表示：“如果你不知道溶酶体中发生了什么变化，你就无法开发新的方法来诊断或治疗疾病。这种方法可以帮助确保我们朝着正确的方向前进。它指引你走上正确的道路，让你不会迷路。”

参考资料：

https://phys.org/news/2022-09-method-scientists-molecules-lysosomes-mice.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。

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