影响溶酶体功能小分子探针的发现及其机制研究

Lysosomes are single-membrane organelles that serve as the major degradative and signaling sites within the cell. Appropriate biogenesis and homeostasis maintenance of lysosomes are critical to a variety of cellular activities. Nevertheless, mechanisms underlying biogenesis and homeostasis of lysosomes and lysosomal response to diverse cellular signals are far from being elucidated. Chemical biology provides unique approaches for investigating lysosome-mediated signaling pathways and cellular processes. In this project, we aim to dissect lysosome functions and signaling pathways using small-molecule compounds specifically targeting lysosomes. We have established an efficient lysosome-based screen system to search for chemicals from a pool of natural compounds purified from plants. So far we have identified 2 groups of small-molecule compounds, which can either induce the enlargement of lysosomes, or increase lysosomal pH value. Consequently, these compounds are able to interfere with several lysosome-mediated cellular activities such as degradation of autophagosomes and protein aggregates. We plan to further investigate how these compounds function within the cell by identifying their target proteins and/or signaling pathways, using a combination of approaches including protein-protein interactions, live-cell imaging, protein modifications, and chemical modification of compounds. Meanwhile, we will carry out structure modifications of these compounds to improve their effectiveness, based on which we aim to develop new lead compounds that can be applied to therapy of lysosome-related diseases including cancer and neuron degenerative disorders. These chemical and biological studies will provide important insights into lysosome biogenesis and homeostasis, as well as lysosome-related pathogenesis.

溶酶体是细胞内物质降解的主要场所，在细胞的物质降解和代谢信号控制方面具有举足轻重的地位。尽管人们对溶酶体功能和发挥作用的机制的认识在不断加强，但溶酶体的生物发生、功能维持及对细胞各种信号响应的机制还远未阐明。以小分子为探针的化学生物学研究一方面可以用于解析溶酶体的调控机制；另一方面可用于影响溶酶体介导的自噬等过程，通过抑制或促进自噬，用于相关疾病的治疗。然而，从化学生物学角度开展针对溶酶体调控机制的研究尚十分匮乏。本项研究基于前期研究中发现的两类影响溶酶体功能（即增大溶酶体体积和调控溶酶体酸度）的小分子天然产物，研究它们对细胞自噬过程中自噬小体的降解以及对肿瘤细胞生存和死亡的影响，探讨化合物结构与其影响溶酶体活性之间的构效关系；以影响溶酶体功能的活性小分子为探针，利用活细胞成像、蛋白质的亚细胞定位、蛋白质相互作用等多种研究手段，阐明化合物影响溶酶体功能的作用机制和作用靶点。

中文摘要（对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内）：.溶酶体（lysosome）是细胞内物质降解的主要场所，在细胞的多种生命活动包括生长、代谢、分化、稳态维持及功能执行等方面起着至关重要的作用。针对溶酶体生物发生、抑制溶酶体酸化及维持溶酶体稳态调控的小分子化合物的筛选和机制研究具有重要的意义。结合前期建立的线虫和细胞筛选模型，共筛选天然小分子化合物3000余个，包括生物碱、萜类、甾体类、黄酮类、蒽醌类等多种骨架化合物。筛选出抑制溶酶体酸化化合物7类共47个活性化合物；促进溶酶体生物发生化合物30类168个活性化合物：其中包括1类化合物特异激活转录因子TFE3；1类化合物特异激活转录因子TFEB并失活转录抑制因子ZKSCAN3；20类化合物同时激活转录因子TFEB和TFE3；6类化合物促进溶酶体生成但不依赖转录因子和转录抑制因子。从化学生物学研究策略入手，选择活性强、靶向性好的活性化合物，分别构建了HLSP-29、HEP-14、Htg-3、HXJ-2351等四个活性小分子的光亲和标记物，并经实验证实其与母核化合物具有相似的生物学功能。利用HEP-14光亲和标记物阐明了其促进溶酶体发生的作用靶蛋白（PKC），为揭示新颖的作用机制提供了重要工具。通过化学生物学模式的研究，阐明了HEP-14介导PKC促进溶酶体生成的新机制；HEC-23促使溶酶体膨胀抑制溶酶体酸化并诱导细胞程序性坏死的分子作用机制；Hdj-15通过激活ROS依赖的ER Stress发现新颖的转录因子TFEB和TFE3的转录调控机制。通过系统的研究揭示了溶酶体生物发生和功能维持的调控新机制，同时利用肿瘤细胞毒性活性化合物影响溶酶体功能的筛选及其作用机制研究，探索了溶酶体稳态调控机制与细胞毒性之间的相关性及其规律性，发现了具有新颖作用机制的溶酶体相关疾病和抗肿瘤的先导化合物。