編者在博士訓練期間，常常被強調申請基金，要做hypothesis driven的研究。而追本溯源，生物學研究的開端往往始於科學家對自然界有趣現象的觀察，這其實是phenomena driven。溶酶體是細胞循環降解和生物機體能量代謝營養感知的中心。中科院生物物理研究所王曉晨老師課題組從一個日常工作中發現的有趣生物學現象入手，經過探索找到了背後調控激活溶酶體的機制。期間實驗室通力合作，開發構建了一套溶酶體在體分析及研究體系，為溶酶體調控機制的解析創造了條件。王老師從細胞吞噬的研究轉入溶酶體研究領域的探索，這篇文章的研究也曾在被放棄的邊緣。堅持迎來了勝利。
點評 | 張宏（中科院生物物理所）、黃宇翔，徐浩新（密歇根大學）
生物體細胞外基質（extracellular matrix，ECM）是一個高度動態具有豐富變化的結構。隨著細胞組織的不同，ECM呈現了多樣的組分構成。而ECM可以協同調控細胞的多種行為，如分裂、增殖和遷移等。在生物發育過程中，ECM可控制器官組織的形態和分化；而病理條件下，ECM性質的改變往往與癌症細胞浸潤，組織纖維化進展緊密相關。在ECM更新重構過程中，與ECM緊密接觸的細胞參與其中。
溶酶體是真核細胞中最主要的降解細胞器，它可以接收來自內吞途徑，吞噬途徑和自噬途徑的底物進行降解並對降解產物進行循環利用，以促進細胞的新陳代謝。近年來的研究發現，溶酶體也是細胞內重要的信號轉導中心，它可以感知細胞內的營養及能量狀態，並通過位於溶酶體表面的重要調控因子mTOR，調節細胞的生長和代謝【1】。因此，溶酶體作為細胞內的降解、循環以及信號轉導中心，維持著細胞的穩態。然而，對於溶酶體在機體的發育中如何維持組織的穩態知之甚少。
中科院生物大分子卓越創新中心生物物理研究所王曉晨教授團隊在模式生物線蟲中建立了機體水平的溶酶體研究體系【2】。前期研究中，她們發現在線蟲發育、成體衰老等生物學過程中，多個組織器官均展現了溶酶體豐富的形態變化，而這些變化是否反映了溶酶體功能調控和生物機體穩態調節尚未可知。
2019年11月14日，Developmental Cell在線發表了中科院王曉晨研究團隊的研究成果：An ECM-to-nucleus signaling pathway activates lysosomes for C. elegans larval development。研究展示了溶酶體在線蟲蛻皮過程中對胞外基質表皮更新循環的調控，揭示了由結構損傷誘導的溶酶體激活通路及其在胞外基質更新中的作用。
線蟲的幼蟲發育經歷4個階段(L1-L4)，每個幼蟲階段以蛻皮結束，隨後進入下一個幼蟲階段。每次蛻皮時，舊的胞外基質 (cuticle，角質層) 與表皮細胞epidermis分離。緊接著，在已分離的舊cuticle與表皮細胞之間合成新的cuticle。最後，線蟲將舊cuticle徹底蛻去。因此，在蛻皮過程中，表皮-角質層/胞外基質發生了重構。在日常實驗中，學生髮現了一個有趣的生物學現象：蛻皮時期表皮細胞中含有大量的管狀溶酶體，而在蛻皮期前後，溶酶體基本都呈現為囊泡狀結構。
進一步的分析發現表皮細胞中的溶酶體功能在線蟲蛻皮時期被特異性地激活了。除了形態的變化，蛻皮時期的溶酶體具有更強的運動能力，溶酶體數目明顯增加，且其酸化/成熟過程加快。與這些變化一致的是，線蟲蛻皮時，表皮細胞中的溶酶體具有更強的降解能力。溶酶體Ca2+通道CUP-5/TRPML1的功能缺失破壞了蛻皮時期溶酶體的功能，並造成了線蟲的蛻皮缺陷。除此之外，還發現溶酶體的功能缺陷進一步加劇了內吞途徑和蛋白分泌途徑缺失所造成的蛻皮缺陷，說明溶酶體與內吞途徑及蛋白分泌途徑共同參與調控線蟲的蛻皮過程。另外，與此時期大量新角質層成分在表皮細胞中被合成一致，作者通過SUnSET實驗發現，蛻皮時期線蟲表皮細胞內的蛋白質合成水平顯著升高，而溶酶體的功能缺失可抑制這一過程。除此之外，在溶酶體缺陷背景下阻斷內吞途徑可進一步抑制蛋白質的合成。這些結果說明，蛻皮時期溶酶體功能的激活促進了內吞途徑運來的舊角質層/胞外基質組分的降解，而降解代謝物經合成途徑被重新利用，促進新cuticle的合成，從而完成胞外基質的重構和線蟲的蛻皮過程。
Cuticle-表皮細胞-基底膜之間通過一系列黏附因子相連，即半橋粒FOs結構。在蛻皮時期，連接cuticle-表皮細胞的頂端半橋粒MUP-4信號水平降低。而在非蛻皮期敲低MUP-4來破壞cuticle-表皮細胞之間的連接，導致溶酶體的形態、動態、酸化/成熟過程表現出與野生型線蟲蛻皮時期相似的變化，表明溶酶體被異常地激活了。因此，蛻皮時期cuticle-表皮細胞之間黏附因子的改變，可作為信號來源誘導胞內溶酶體活性的特異性升高。進一步的實驗發現，蛻皮過程的發生及MUP-4的缺失都會誘導溶酶體V-ATPase多個組分轉錄水平的上調，提示蛻皮時期表皮細胞通過上調V-ATPase加速了溶酶體的酸化/成熟過程，從而激活了溶酶體的功能。通過分析已知的應對cuticle結構改變的調控因子，作者發現轉錄因子STAT/STA-2及GATA/ELT-3介導了蛻皮時期V-ATPase的表達及溶酶體的激活。
綜上所述，在線蟲蛻皮時期，當胞外基質cuticle發生重構時，表皮細胞內的溶酶體被特異性地激活，促進了cuticle組分的降解及重複利用，幫助合成新cuticle並完成蛻皮。蛻皮時期cuticle與表皮細胞之間的結構連接被破壞，此結構損傷通過激活轉錄因子STA-2和ELT-3，上調V-ATPase的表達，促進溶酶體酸化過程，提高溶酶體活性。該項研究揭示了一條從胞外基質到細胞核的溶酶體激活通路，促進胞外基質的重構和幼蟲的發育。
專家點評
張宏 （中科院生物物理研究所研究員）
線蟲胚胎孵化後，經歷4個幼蟲發育期（L1-L4）後進入成蟲期。期間幼蟲經歷四個蛻皮期，分別發生在其進入下一個幼蟲期之前。蛻皮期的特徵是包裹在表皮細胞外的，由不同類型的膠原蛋白構成的角質層（cuticle）與機體分離，同時表皮細胞分泌新合成的膠原蛋白，從而形成新的cuticle。線蟲完全被角質層包裹，而角質層在幼蟲發育期的不斷更新保證了幼蟲的正常生長。
角質層把線蟲跟外界環境分隔開，保證線蟲的機體免受外界的損傷。在蛻皮期間，線蟲保持不動，平時不斷吞食細菌的咽部也閉合，不再進食，處於類似睡眠的狀態。因此領域裡的普遍看法是線蟲在蛻皮期間，代謝水平很低。在這篇文章裡，王曉晨課題組證明在蛻皮期間，表皮細胞的溶酶體的活性比生長期的更為活躍。溶酶體降解內吞進表皮細胞的舊角質層成分，循環利用降解產物合成新的膠原蛋白。這一發現再次讓人們感受到科學的魅力--那些人們想當然的常識可以錯的很離譜。
專家點評
黃宇翔，徐浩新（美國密歇根大學教授）
作為細胞內生物大分子降解的中心，溶酶體活性的調控具有重要的生理意義。包含清華大學俞立教授和新加坡國立大學的沈漢明教授在內的多個團隊在過往的研究中，已經在細胞水平觀察到溶酶體的形態和功能可以根據細胞代謝的需要進行快速的動態調節。例如，在飢餓壓力條件下，溶酶體的形態、亞細胞定位以及大分子降解能力都會發生上調。而在飢餓壓力撤銷後，溶酶體的各項指標會恢復正常，這表明溶酶體的功能可以根據細胞的代謝需要進行動態調節。然而在組織學水平上，目前對於溶酶體動態變化的觀察還十分有限【3-6】。
中科院生物物理所的王曉晨教授近期的這項研究站在組織學水平上為溶酶體動態變化所蘊含的生理意義提供了新證據。在這項工作中，研究者首先發現溶酶體的形態在線蟲蛻皮（molting）過程中發生了顯著變化。基於這一有趣的發現，研究者進一步利用了線蟲的遺傳學工具，論證了在溶酶體的活性確實在蛻皮階段發生明顯上調，並且找出了一部分可能介導此過程的分子。這項研究進一步表明溶酶體的動態變化所具有的重要生理學意義。
關於這項研究的未來一些跟進尤其令人期待：首先，本研究在線蟲蛻皮的生理學過程中，初步將溶酶體的形態變化與溶酶體的降解活力聯繫在一起，這打開了多種可能性：溶酶體降解活力提升背後的機制究竟是源於溶酶體數量的增加，還是溶酶體所含水解酶濃度增加，抑或溶酶體pH濃度梯度的提高？通過線蟲遺傳學與細胞生物學手段相結合對以上可能性進行檢驗，將幫助人們更深入地理解溶酶體形態與功能的關係。
其次，對於在蛻皮過程中激活溶酶體功能的上游信號通路，本研究基於線蟲遺傳學手段提出了ELT3/STAT2—V-ATPase—CUP5的模型*。未來研究者可以考慮藉助藥理學手段進行快速處理，通過觀察溶酶體形態和功能的變化對該模型進行檢驗。例如，在蛻皮過程中溶酶體CUP5被激活的機制是有待進一步研究的問題。此外，還可能找出更多在此通路中直接或間接引發溶酶體活性上調的分子，從而對本研究所提出的模型進行完善。
第三，本研究的實驗結果表明溶酶體的上調對於蛻皮過程表皮細胞細胞外基質（ECM）的正常形態維持重要，其背後的機制令人十分好奇。一種可能性是被降解的膠原蛋白被運送到溶酶體中回收，進而再次被分泌出參與新的細胞外基質的重建。線蟲高效的遺傳學工具能十分便利地檢驗這一假設。
最後，正如論文討論部分所指出的的那樣，細胞外基質的降解與癌症細胞的轉移類似，因此線蟲的蛻皮過程也許可以被用作揭示溶酶體與癌症轉移關係的分子機制的獨特研究體系。
總而言之，這項研究從線蟲蛻皮的溶酶體形態變化的觀察出發，充分利用了線蟲這一模式生物的特點，提出了一個溶酶體動態變化在組織學水平體現生理學意義的模型。
註釋：
*cup5是離子通道基因TRPML1在線蟲中的同源基因。TRPML1是表達於哺乳動物細胞溶酶體表面的鈣離子通道，被認為能促進細胞自噬功能。TRPML1的功能異常與包括肌肉萎縮症、溶酶體儲積病和老年痴呆症等多種疾病相關，其小分子激動劑在老年痴呆等疾病治療中的應用目前處於如火如荼的研發過程之中【7,8】。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2019.10.020
製版人：小嫻子
參考文獻
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8. https://www.investank.com/news/detail/404128
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