溶酶体稳态的调控机制研究

Lysosomes are the major degradation and signaling centers within the cell. Lysosomes respond to environmental cues by controlling their own biogenesis, low pH value and membrane integrity, thus maintaining their homeostasis. Disruption of lysosomal homeostasis leads to many severe human diseases, including lysosomal storage disorders (LSDs), neurodegenerative diseases and cancer. The mechanisms underlying lysosomal homeostasis are, however, poorly understood. In this project, we aim to dissect novel mechanisms governing lysosome biogenesis and lysosome acidification, two essential aspects for maintenance of lysosomal homeostasis. We have identified unique natural small-molecule compounds that can induce lysosome biogenesis or increase lysosomal pH value. We plan to further investigate how these compounds function within the cell by identifying their target proteins and signaling pathways, using a combination of approaches including protein-protein interactions, live-cell imaging, protein modifications, and chemical modification of compounds. Meanwhile, we have established a CRISPR/Cas9-based system to identify regulators of transcription of lysosomal genes, and to identify the signaling pathways in which the aforementioned natural small-molecule compounds play their roles. This unique research will not only provide important novel insights into lysosomal homeostasis, but also reveal pathological mechanisms underlying lysosome-related human diseases.

溶酶体是细胞内物质降解的主要细胞器，也是细胞生长和代谢的重要信号汇集地。溶酶体稳态维持是指细胞在响应外界信号或应激时，对溶酶体的生成、内部酸性环境、外膜完整性等的维持和适应性调整。溶酶体稳态破坏导致多种重大疾病，其调控机制亟待深入阐明。本项目旨在利用诱导溶酶体生成或抑制溶酶体酸化的天然化合物为探针，确定它们特异性发挥作用的信号通路，鉴定化合物作用的靶蛋白，研究小分子化合物对其作用的信号通路中的蛋白质互作，蛋白质修饰及信号传递的影响，从而揭示溶酶体稳态维持的两个重要方面：溶酶体生成和溶酶体酸化调控的新机制。我们还建立了基于CRISPR/Cas9的筛选系统，用于鉴定诱导溶酶体生成的化合物发挥作用的信号通路，并筛选溶酶体基因转录的调控因子。我们相信，综合利用小分子天然化合物、遗传筛选、蛋白追踪定位、活细胞成像、蛋白质修饰和蛋白质互作等多种研究手段，本项研究将深入揭示溶酶体稳态维持的重要调控机制。

溶酶体是细胞内物质降解的主要细胞器，是细胞生长和代谢的重要信号汇集地。细胞响应外界信号或应激时，对溶酶体的生成、内部酸性环境、膜完整性等方面做出适应性调整，以维持溶酶体稳态，但其调控机制亟待深入阐明。本项目围绕溶酶体生成和酸化的调控机制开展研究，探索溶酶体稳态维持的重要机制，目前已经取得如下研究结果：1）筛选并发现多个CDK4/6的小分子化合物抑制剂可诱导溶酶体发生，阐明了其诱导溶酶体发生的作用机制，首次揭示了细胞周期过程中溶酶体发生的调控机制。2）以秀丽线虫模型，利用遗传突变筛选、细胞生物学及生化等研究手段，揭示了吞噬性溶酶体的再生成机制，发现SLC-36.1和PPK-3/PIKfyve形成复合体，在吞噬性溶酶体和自噬性溶酶体再生过程中发挥必要作用。3）发现WDR91作为Rab7效应因子与HOPS复合体竞争，维持溶酶体的正常融合、酸化和降解功能，在神经细胞稳态维持中发挥重要作用。4）发现WDR91介导内吞体上循环亚区域的形成，维持内吞体-溶酶体通路中的受体循环。5）开展全基因CRISPR/Cas9敲除筛选，鉴定了1个促进溶酶体发生的转录因子和3个抑制溶酶体发生的转录因子，目前正在深入研究其发挥作用的分子生物学机制。6）对抑制溶酶体酸化的小分子化合物HLSP-29开展了研究，发现其抑制PI4P生成，提示PI4P对于溶酶体的pH值维持发挥重要作用，其作用机制正在总结完善之中。本项目研究成果为进一步系统性地阐明溶酶体稳态的调控机制奠定了坚实基础。