过氧化物酶体介导的胆固醇从溶酶体向内质网的转运及分子机制研究

Cholesterol homeostasis is vital for proper cellular and physiological functions. As one of the key organelles critically involved in cholesterol metabolism, the endoplasmic reticulum (ER) monitors the overall cellular cholesterol level by sensing the arrival of exogenous cholesterol and negatively inhibiting endogenous cholesterol biosynthesis. However, after low-density lipoprotein being converted to free cholesterol in lysosome (LY), how cholesterol moves from LY to ER remains largely unclear. Our published results have shown that LY and peroxisome form membrane contacts (MCs) to facilitate cholesterol transfer from one organelle to another. These findings suggest that peroxisome plays a pivotal role in intracellular cholesterol transport. Recently, we observe multiple MC sites between peroxisome and ER cisternae in rat hepatocytes. We therefore hypothesize that peroxisome forms MCs with LY and ER separately, mediating cholesterol transfer from LY to ER. In this proposal, we will investigate the role of MCs in cholesterol transport at molecular, cellular and animal levels. We aim to identify participants and regulators involved in MC formation. We will further examine whether increasing MCs reduces cholesterol accumulation in cells and mice. This study will not only lay a solid foundation for understanding cholesterol homeostasis, but also shed light on the novel strategy and pharmacological targets for treating diseases associated with cholesterol accumulation.

胆固醇代谢平衡对维持细胞和机体的正常功能至关重要。内质网是胆固醇代谢的关键细胞器之一，能感知外源胆固醇水平并负反馈调控内源胆固醇合成。然而，细胞摄取的低密度脂蛋白在溶酶体转变为胆固醇后是如何运输到内质网尚不清楚。我们前期已发表的研究显示，溶酶体可通过和过氧化物酶体形成膜接触将胆固醇递送给后者，提示过氧化物酶体在细胞内胆固醇运输过程中起重要作用。我们近期发现大鼠肝脏细胞里的过氧化物酶体与内质网存在紧密膜接触。据此我们提出假说，过氧化物酶体通过与溶酶体和内质网分别形成膜接触，介导胆固醇从溶酶体运输到内质网。本项目拟从分子、细胞以及动物水平多层次揭示细胞器膜接触在胆固醇运输中的作用。研究内容包括：鉴定介导膜接触的分子；揭示调控膜接触的机制；探讨促进膜接触能否减少细胞和动物中胆固醇的堆积。本研究不仅可为深入理解胆固醇代谢平衡调控奠定理论基础，还将为治疗胆固醇堆积相关疾病提供新的思路和潜在药物靶点。

细胞内胆固醇正常运输对维持细胞和机体的功能至关重要。细胞通过表面受体摄取血液中的低密度脂蛋白，逐步将其递送至溶酶体，水解生成的胆固醇再进一步被运输到内质网以负反馈调控胆固醇内源合成与吸收。然而，胆固醇从溶酶体向内质网转运的具体路径和分子机制并不清楚。我们在项目前期研究中发现过氧化物酶体可能通过与溶酶体和内质网形成膜接触介导胆固醇运输。本项目从分子、细胞以及动物水平多层次研究了过氧化物酶体和细胞器膜接触在胆固醇运输中的作用。具体内容包括：1）明确胆固醇通过膜接触从过氧化物酶体向内质网进⾏转运；2）解析参与膜接触形成与胆固醇运输的分子及调控因子；3）从促进细胞器膜接触的角度发展治疗胆固醇堆积疾病的新策略。我们分离纯化了过氧化物酶体和内质网，在体外重构系统中证明了溶酶体来源的胆固醇通过膜接触从过氧化物酶体向内质网进行运输，并鉴定出PI(4,5)P2和extended synaptotagmins (E-Syts)分别是过氧化物酶体和内质网上负责介导膜接触形成的分子；发现Ca2+、磷脂酰肌醇-5-磷酸4-激酶2a（PIP4K2A）和NF-κB非经典信号通路都能调控细胞内胆固醇运输，其中Ca2+和PIP4K2A通过调控细胞器间的膜接触促进胆固醇运输，而NF-κB非经典信号通路通过上调NPC2的表达促进胆固醇运输；利用全基因组CRISPR敲除文库结合两性霉素筛选出POST1是调控细胞胆固醇转运和代谢的新因子，并揭示POST1可通过多种机制影响细胞内胆固醇运输；发现环化糊精可以增加细胞器之间的膜接触，上调过氧化物酶体PI(4,5)P2的水平，恢复过氧化物酶体部分功能，改善过氧化物酶体紊乱疾病细胞和小鼠模型中胆固醇堆积的表型。本项目主要研究结果已发表在Protein Cell、Science China-Life Sciences、Journal of Lipid Research等领域主流期刊上，共计13篇。本项目所获得的成果不仅开辟了细胞内胆固醇运输的新方向，而且揭示了过氧化物酶体的新功能。