蛋白质降解的利刃——溶酶体
蛋白质降解的利刃——溶酶体
溶酶体是细胞内的“回收站”，负责处理各种废弃物质。近年来，基于溶酶体的靶向胞外蛋白降解技术——LYTAC，为药物开发提供了新的路径。本文将为您详细介绍溶酶体的结构、功能及其在疾病治疗中的应用前景。
谈及蛋白降解，经典教材中常常是这么描述的：“细胞内蛋白降解主要通过两个途径，即溶酶体和泛素蛋白酶体系统”。而今，这两大途径都发展出了各自的蛋白降解技术平台——LYTAC与PROTAC，前景不可限量。而与PROTAC相比，LYTAC的特色在于可以降解大规模聚积的变性蛋白，因此可以靶向降解定位于细胞膜的蛋白，甚至整个细胞器。这主要归功于LYTAC背后的“大杀器”——溶酶体。
de Duve因揭示溶酶体作为细胞内物质降解的核心以及代谢信号的关键枢纽，荣获了20世纪50年代的诺贝尔生理学奖。长久以来，溶酶体被喻为细胞的“回收站”，负责处理废弃物质。然而，当溶酶体的功能出现障碍时，会引发一系列严重疾病，如溶酶体贮积病和神经退行性疾病等，这些疾病对人类的健康构成了巨大威胁。因此，对溶酶体的深入研究不仅有助于我们理解生命的奥秘，也为疾病的治疗提供了新的思路。
图1：溶酶体的功能[1]
溶酶体
溶酶体(Lysosome)是一种单层膜围绕的囊泡状细胞器，内含多种酸性水解酶（如蛋白酶、核酸酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、磷酸酶和硫酸酶等），其主要功能是行使细胞内的消化作用。溶酶体是一种异质性的细胞器——形态大小，甚至其中所含水解酶的种类各不相同。根据溶酶体处于完成其生理功能的不同阶段，大致可分为初级溶酶体、次级溶酶体和残质体。其中，初级溶酶体最为典型，外面由一层脂蛋白膜围绕，形态呈球形，直径0.2~0.5 μm，内容物均一且不含有明显的颗粒物质（图2）[2]。
图2：溶酶体结构[3]
溶酶体的功能
如前所述，溶酶体的基本功能就是在细胞内“消化”各种物质——各种废旧蛋白，损坏的细胞器，甚至入侵的微生物。初级溶酶体只有一层单位膜，内部仅含有非活性状态水解酶，无作用底物。而通过内吞作用、自噬作用和吞噬作用3种途径，初级溶酶体就“进阶”成了次级溶酶体，其中，三种途径所吞噬的对象和大小各不相同——内吞作用仅把可溶性大分子通过内吞泡摄入细胞内，并与初级溶酶体结合形成异噬溶酶体被消化；自噬作用是将细胞内破损细胞器和批量细胞质包裹，形成自噬泡，与初级溶酶体结合被消化；吞噬作用是将破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质，通过异噬泡包裹进入细胞，与初级溶酶体结合被消化（图3）[4]。
图3：溶酶体的功能[4]
溶酶体调节剂
根据作用机制的不同，溶酶体调节剂可以分为以下几类[5]：
- 溶酶体酸化抑制剂：溶酶体内部酶的最适pH为5.0左右，呈酸性，而这些化合物可以抑制溶酶体的酸化，包括Chloroquine ; Hydroxychloroquine ；NH4Cl ；Monensin 等；
- mTOR 抑制剂：Rapamycin ；
- Cathepsin抑制剂：CA-074 ；Pepstatin A ；PMSF ；L-006235 ；
- v-ATPase抑制剂：Bafilomycin A1 ；Concanamycin A
- 磷酸肌醇脂质激酶抑制剂：YM-201636 ；Apilimod
- 其它类型：Lonafarnib 。
LYTAC
2020年，斯坦福大学的研究团队在 Nature 上报道了一项利用溶酶体的靶向胞外蛋白降解技术——溶酶体靶向嵌合体 (Lysosome-targeting chimaeras, LYTAC)，其成功研发将为药物开发提供新的路径，必将是未来最具发展潜力的技术之一。尽管PROTAC迅猛发展，但其作用蛋白有限，主要降解的是胞内蛋白，对于胞外蛋白和分泌蛋白是无能为力的，而这些胞外蛋白往往与癌症，衰老以及自身免疫性疾病密切相关。而LYTAC的出现打破了PROTAC的这一局限。LYTAC主要由两个部分组成，一端是能够与目标蛋白相结合的抗体、多肽或小分子，一端是与细胞表面溶酶体靶向受体（即LTR，如6-磷酸甘露糖受体，M6PR）相结合的寡糖结构，两者通过linker连接，由此，它们共同形成一个复合物，复合物通过胞吞作用进入到细胞内，被溶酶体捕获，并被解离，其中目标蛋白会被溶酶体内的酶所降解，而解离的LTR不会被降解，可以循环利用，继续转运目标蛋白[6,7]。
图4：LYTAC示意图[8]
LYTAC技术的关键节点之一是寻找合适的LTR以及其配体。尽管在前期报道中，使用的是M6PR以及相应的寡糖配体，但在第二年就有报道利用了更为成熟的ASGPR（去唾液酸糖蛋白受体）和tri-GalNAc配体的“拍档”形式[9]。利用不同的LTR和相应配体，可以降低LYTAC技术使用门槛，提高靶向特异性，并降低潜在的耐药风险，预计未来会有更多的LTR和相应配体被开发出来。
参考文献：
Ballabio, A., Bonifacino, J.S. Lysosomes as dynamic regulators of cell and organismal homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol 21, 101–118 (2020).
翟中和，王喜忠，丁明孝. 细胞生物学. 4版[M]. 高等教育出版社，2011.
https://microbenotes.com/lysosomes-structure-enzymes-types-functions/
Bonam, S.R., Wang, F. & Muller, S. Lysosomes as a therapeutic target. Nat Rev Drug Discov 18, 923–948 (2019).
Banik, S.M., Pedram, K., Wisnovsky, S. et al. Lysosome-targeting chimaeras for degradation of extracellular proteins. Nature 584, 291–297 (2020)
Ahn, G., Banik, S.M., Miller, C.L. et al. LYTACs that engage the asialoglycoprotein receptor for targeted protein degradation. Nat Chem Biol 17, 937–946 (2021).
Ahn, G., Banik, S.M., Miller, C.L. et al. LYTACs that engage the asialoglycoprotein receptor for targeted protein degradation. Nat Chem Biol 17, 937–946 (2021).