MCOLN1：自动调控防御自由基引起衰老和疾病

诸平

2015年徐浩兴（前排中）实验室人员合影

衰老的自由基学说是登哈姆·哈曼（Denham Harman）在1956年提出的，认为衰老过程中的退行性变化是由于细胞正常代谢过程中产生的自由基的有害作用造成的。生物体的衰老过程是机体的组织细胞不断产生的自由基积累结果，自由基可以引起DNA损伤从而导致突变，诱发肿瘤形成。自由基是正常代谢的中间产物，其反应能力很强，可使细胞中的多种物质发生氧化，损害生物膜。还能够使蛋白质、核酸等大分子交联，影响其正常功能。人们为了生存需要摄取食物，而食物消化吸收的代谢需要在线粒体内进行氧化磷酸化，然后以ATP形式来供给机体活动需要的能量。在产生ATP过程中有自由基的生成，这些内源性自由基会在细胞内氧化防御体系不足的情况下对线粒体产生积累性伤害，从而导致线粒体衰老。因此，我们的生命活动一方面需要耗氧，但是在耗氧的过程中机体又会不时生成有毒分子——自由基，自由基被认为是引起衰老、诱发疾病的罪魁祸首。然而，麦吉尔大学（McGill University）的研究生成的证据表明情况有可能恰好相反。麦吉尔大学的齐格弗里德·海可米（Siegfried Hekimi）等研究人员，以秀丽隐杆线虫为模型，发现在衰老过程中自由基生成增多，是因为自由基对抗衰老。这项研究揭示出自由基促长寿效应的真实分子机制，为人们提供了强有力的新证据证明它们作为信号分子发挥了有益效应。相关研究成果发表于2014年5月8日的《细胞》（Cell）杂志上——Callista Yee, Wen Yang, Siegfried Hekim. The Intrinsic Apoptosis Pathway Mediates the Pro-Longevity Response to Mitochondrial ROS in C. elegans. Cell, 2014, 157(4): 897–909. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.055.

此项研究的资深作者，也是通讯作者、麦吉尔大学生物学系教授齐格弗里德·海可米说：“人们认为，自由基造成损伤并引起了衰老，但这一所谓的‘自由基衰老理论’并不正确。我们颠覆了这一理论，证实在衰老过程中自由基生成增多是因为自由基实际上是对抗而非造成了衰老。事实上，在我们的模式生物中我们提高自由基生成，由此大大延长了线虫的寿命。”这些研究结果具有重要的影响。齐格弗里德·海可米说：“揭示出自由基促长寿效应的真实分子机制，为我们提供了强有力的新证据证明它们作为信号分子发挥了有益效应。这也意味着，可以利用凋亡信号来刺激一些机制延缓衰老。”

“由于在免疫和癌症中的重要医学影响，人们对凋亡机制展开了广泛地研究，现已有大量的操控凋亡信号的药理学工具。但这并不意味着是一件容易的事情。”齐格弗里德·海可米说，刺激促长寿凋亡信号在神经退行性疾病中尤为重要。在大脑中这一凋亡信号有可能倾向提高了受损细胞的抗压能力而非杀死它们。其部分原因在于神经元之间的连接非常的复杂，相比于其他的细胞类型很难替代死亡神经元。

因为自由基引起细胞损伤和死亡、导致衰老和疾病,所以科学家们多少年来一直在寻求清除自由基的新方式，达到强身健体，延年益寿之目的。据MedicalXpress网站2016年6月30日报道，密歇根大学（University of Michigan）的一项新研究，给出了一种抗自由基 的强大的保护剂——粘质蛋白1（mucolipin 1），简称为MCOLN1或者TRPML1，是瞬时受体电位通道家族成员之一，也是溶酶体膜上一种关键的Ca²⁺导通道，内腔的Ca²⁺由此而被释放到胞液中，而溶酶体的Ca²⁺释放被认为是由粘质蛋白1来调控的。具有讽刺意味的是,此蛋白质是由过量自由基激活的。人的这种蛋白质的基因突变，会引起一种罕见的、神经退行性疾病，这是早已为人所知的事实。相关研究详见：Dongbiao Shen, Xiang Wang, Xinran Li, Xiaoli Zhang, Zepeng Yao, Shannon Dibble, Xian-ping Dong, Ting Yu, Andrew P. Lieberman, Hollis D. Showalter & Haoxing Xu. Lipid storage disorders block lysosomal trafficking by inhibiting a TRP channel and lysosomal calcium release. Nature Communications, e-Published 13 March 2012, 3, Article number: 731. doi:10.1038/ncomms1735.

因为涉及到溶酶体(lysosomes)，顺便对其进行简要介绍，溶酶体是比利时学者C.R.de迪夫等人1955年在鼠肝细胞中首次发现。它是真核细胞中的一种细胞器，为单层膜包被的囊状结构，大小(在电镜下显示多为球形，但存在橄球形，故不能说直径)约0.025~0.8 μm;内含多种水解酶，专司分解各种外源和内源的大分子物质。截止2006年已经发现溶酶体内有50余种酸性水解酶，包括蛋白酶、核酸酶、磷酸酶、糖苷酶、脂肪酶、磷酸酯酶及硫酸酯酶等。这些酶控制多种内源性和外源性大分子物质的消化。因此，溶酶体具有溶解或消化的功能，为细胞内的消化器官。溶酶体的溶解功能是与食物泡融合，将细胞吞噬进的食物或致病菌等大颗粒物质消化成生物大分子，残渣通过外排作用排出细胞；而溶酶体的消化功能是在细胞分化过程中，某些衰老细胞器和生物大分子等陷入溶酶体内并被消化掉，这是机体自身重新组织的需要。当然溶酶体的溶解功能与消化功能当中，主要还是消化作用，细胞的自溶，防御以及对某些物质的利用均与溶酶体的消化作用有关。消化作用有多种途径，如细胞内消化、细胞凋亡、自体吞噬等。所谓细胞内消化是指对高等动物而言，细胞的营养物质主要来源于血液中的大分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要了。而细胞凋亡是个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡，注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。关于自体吞噬是清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器等，如许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10 d左右。还有防御作用，如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。

密歇根大学的此项研究的领导作者，密歇根大学的分子生物学、细胞生物学和 发育生物学 副教授徐浩兴（Haoxing Xu音译）说,溶酶体（Lysosomes）构成了细胞再循环中心,清理受伤和死亡的细胞。当溶酶体“感觉”到自由基过多时，它们就会激活细胞膜上的钙通道。这会引发更多基因的表达，会促使生产更多更强的溶酶体,这些溶酶体反过来去除细胞的受损部分。徐浩兴副教授说，自由基会导致衰老。“如果我们有可以直接激活这个通道的化合物,我们就可以降低 氧化应激带来的衰老和其他疾病, 结果将会减少细胞损伤和降低自由基水平,延缓衰老。”

身体如何告诉自己体内有太多的自由基,对其可以减少或删除吗? 徐浩兴副教授说，他们的研究告诉其应该如何进行处理。他说:“自然是的确太神奇了。细胞的守卫者——溶酶体有感知自由基的能力。”此项研究2016年6月30日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网上发表，第一作者张小莉（Xiaoli Zhang音译）、程西平（Xiping Cheng音译）、卢宇（Yu Lu音译），他们都是徐浩兴实验室人员。研究论文详见：Xiaoli Zhang, Xiping Cheng, Lu Yu, Junsheng Yang, Raul Calvo, Samarjit Patnaik, Xin Hu, Qiong Gao, Meimei Yang, Maria Lawas, Markus Delling, Juan Marugan, Marc Ferrer & Haoxing Xu. MCOLN1 is a ROS Sensor in Lysosomes that Regulates Autophagy. NatureCommunications，e-Published: 30 June 2016, 7, Article number: 12109. doi:10.1038/ncomms12109，

Abstract

Cellular stresses trigger autophagy toremove damaged macromolecules and organelles. Lysosomes ‘host’ multiplestress-sensing mechanisms that trigger the coordinated biogenesis ofautophagosomes and lysosomes. For example, transcription factor (TF)EB, whichregulates autophagy and lysosome biogenesis, is activated following theinhibition of mTOR, a lysosome-localized nutrient sensor. Here we show thatreactive oxygen species (ROS) activate TFEB via a lysosomal Ca²⁺-dependent mechanism independent of mTOR. Exogenous oxidants or increasing mitochondrialROS levels directly and specifically activate lysosomal TRPML1 channels,inducing lysosomal Ca²⁺ release. This activation triggers calcineurin-dependent TFEB-nuclear translocation, autophagy induction and lysosome biogenesis. When TRPML1 is genetically inactivated or pharmacologically inhibited, clearance of damaged mitochondria and removal of excess ROS are blocked. Furthermore, TRPML1’s ROS sensitivity is specifically required for lysosome adaptation to mitochondrial damage. Hence, TRPML1 is aROS sensor localized on the lysosomal membrane that orchestrates anautophagy-dependent negative-feedback programme to mitigate oxidative stress in the cell.

与此相关研究是2012年3月13日同样在Nature Communications发表的研究成果（生物谷有介绍），密歇根大学医学院细胞与发育生物学系的研究人员徐浩兴等人发现了一种能加速细胞再循环中心——溶酶体的垃圾清除的可能药物，这将为治疗一些罕见遗传性代谢紊乱失序症提供新的思路。相关研究论文详见：Dongbiao Shen, Xiang Wang, Xinran Li, Xiaoli Zhang, Zepeng Yao, Shannon Dibble, Xian-ping Dong, Ting Yu, Andrew P. Lieberman, Hollis D. Showalter & Haoxing Xu. Lipid storage disorders block lysosomal trafficking by inhibiting a TRP channel and lysosomal calcium release. Nature Communications, e-Published 13 March 2012, 3, Article number: 731. doi:10.1038/ncomms1735.

这项研究对于治疗罕见遗传性代谢紊乱疾病，比如NieMann- Pick病、黏脂贮积症IV型、常见的阿兹海默症以及帕金森症等具有重要意义。“这项研究引入了一个新颖的概念：一种潜在药物可以增加细胞内垃圾清楚的速度，这对于医药研究具有重要影响”。不过这项研究尚属于早期基础研究阶段，从基础研究走到药物面市需要许多年的时间。

细胞中垃圾与日常生活中垃圾一样，如果不得到及时处理，都会危害人类健康。在构成机体的上万亿个细胞里，存在一个调节控制细胞垃圾处置运作的处理中心：溶酶体，溶酶体内含有许多种水解酶类，能够分解包括有害分子在内的很多种物质，比如用过的蛋白，脂肪物质，细胞膜废弃块等，这些物质可以进入再循环。这样的物质流过程称为囊泡运输（vesicular trafficking）。

这一过程对于细胞和整个机体的健康具有重要意义，如果运输减慢或者停止，那么就会导致溶酶体阻塞，造成许多疾病，比如一种称为脂质贮积病的遗传性代谢失序症，NieMann- Pick病就是其中之一。

在之前的研究中，徐浩兴等人曾发现溶酶体正常工作部分依赖于溶酶体表面膜上的称为钙离子通道的及时钙离子流。如果钙离子通道被阻塞，那么溶酶体的运输就会被打断，运送的“货物”就会被积压，导致溶酶体膨胀。

在最新这篇文章中，徐浩兴等人利用了一种新型成像技术，分析了溶酶体中释放的钙离子，结果发现之前研究的一种称为TRPML1的离子通道蛋白能介导钙离子的释放，从而极大的减少NieMann- Pick，黏脂贮积症IV型疾病细胞。TRPML1是TRP(transient receptor potential)离子通道蛋白，分布在细胞内体和溶酶体，在人类粘脂质累积病IV型(Mucolipidosis, ML4)患者中发现有突变。

而且更重要的是，研究人员还发现了一种合成小分子：ML-SA1能模拟PI(3,5)P2的作用，激活溶酶体钙离子通道，打开通道，恢复钙离子流。研究人员认为这说明，也许可以利用这种小分子作为药物，激活溶酶体钙离子通道，并恢复正常的溶酶体功能。下一步研究人员将在NieMann- Pick，黏脂贮积症IV型小鼠模型中进行ML-SA1实验，希望能了解这种小分子是否能减轻有关症状。

NieMann- Pick病（Niemann –Pick’sudisease）是一种按单纯孟德尔隐性遗传规律遗传的疾病。主要有关酶缺乏引起神经髓鞘磷脂、胆固醇及其他磷脂在肝、脾的内皮细胞及脑部沉积引起。临床表现有肝、脾肿大，神经系统症状，聋、盲及智力低下。视网膜黄斑部有磷脂沉积者亦可见樱红斑。本病为进行性，多在发病数年后死亡。诊断可作骨髓或脾穿刺涂片，淋巴结活组织检查寻找泡沫细胞。

      黏脂贮积症Ⅳ型是一种基本生化缺陷为神经节苷脂唾液酸酶缺乏的疾病，这种酶缺乏可导致GM3和GD3神经节苷脂异常分布。这两种神经节苷脂可使组织细胞功能受累，并通过某种不清的机制而致病这两种脂质是包涵体内脂质样物质的主要成分。

更多信息请注意浏览原文。

徐浩兴相关信息：

据谷歌学术搜索结果显示，徐浩兴已经是密歇根大学教授

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被引频次超过100次的几篇论文

印大中教授关于衰老理论的相关研究：

衰老机制——生化副反应损变的失修性累积.PDF

150论衰老过程的生化本质（中国老年病杂志）.pdf

破解衰老之谜 印大中编著.pdf

The essential mechanisms of aging, What have we learnt in ten years.pdf

The essential mechanisms of aging, irreparable damage accumulation of biochemical side reactions.pdf