蛋白质降解的利刃——溶酶体

蛋白质降解的利刃——溶酶体

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

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）。

图2：溶酶体结构

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）。

图3：溶酶体的功能

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：1.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；2.mTOR 抑制剂：Rapamycin ；3.Cathepsin抑制剂：CA-074 ；Pepstatin A ；PMSF ；L-006235 ；4.v-ATPase抑制剂：Bafilomycin A1 ；Concanamycin A 5.磷酸肌醇脂质激酶抑制剂：YM-201636 ；Apilimod 6.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。

图4：LYTAC示意图

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。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.
• 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).