《Cancer Cell International》：Lysosomes: guardians and healers within cells- multifaceted perspective and outlook from injury repair to disease treatment
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这篇综述聚焦溶酶体，详细阐述其结构、功能，深入探讨溶酶体损伤修复机制，以及与衰老、神经退行性疾病、肿瘤等的关联，还介绍在再生医学中的应用和靶向治疗策略，为相关领域研究提供全面参考。
溶酶体的结构与功能概述
1955 年，比利时科学家 Cristian de Duve 首次揭示了溶酶体的存在，2005 年，他进一步将溶酶体定义为细胞降解和代谢的中心枢纽 。溶酶体是具有单膜结构的细胞器，广泛存在于真核细胞中，呈球形或椭圆形，直径在 0.2 - 0.8 微米之间。其膜结构由磷脂双分子层构成，富含高碳水化合物化合物，赋予了溶酶体膜高稳定性和选择性通透性。
溶酶体膜的关键组成部分是糖基化膜蛋白，包括载体蛋白、通道蛋白、受体蛋白和酶蛋白等，它们在物质运输、信号转导等过程中发挥着重要作用。例如，载体蛋白能特异性结合并运输氨基酸、葡萄糖等物质；质子泵 V - ATPase 作为重要的通道蛋白，维持着溶酶体内的酸性环境，其内部 pH 约为 5.0 。溶酶体含有约 60 种水解酶，如蛋白酶、核酸酶、糖苷酶等，这些水解酶能高效降解蛋白质、多糖、核酸和脂质等生物大分子，为细胞提供营养和能量，因此溶酶体也被称为细胞的 “消化车间”。此外，溶酶体还参与先天免疫、适应性免疫以及营养感知等生理过程 。
溶酶体损伤的修复
- 溶酶体损伤与细胞死亡途径的联系：当溶酶体受损，如膜破裂或功能受损时，其内部的酶和酸性物质会泄漏到细胞质中，破坏细胞内环境，导致细胞损伤。氧化应激、药物作用、病毒感染等多种因素都可引发溶酶体损伤 。受损的溶酶体与多种细胞死亡途径密切相关，它可以触发线粒体途径，导致细胞色素 C 从线粒体释放，激活 caspase 家族，最终引发细胞凋亡；组织蛋白酶从受损溶酶体释放后，在细胞坏死和焦亡过程中也发挥着关键作用，还能激活 RIPK（受体相互作用丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶）途径，导致细胞坏死性凋亡；此外，溶酶体损伤释放的活性氧和铁是铁死亡的重要促进因素，广泛的溶酶体损伤还可能直接导致细胞坏死 。
- 溶酶体损伤的特征 —— 溶酶体膜通透性（LMP）机制的进展：溶酶体膜通透性增加会导致其内部成分如组织蛋白酶泄漏到细胞质中，引发溶酶体依赖性细胞死亡，这种现象被称为 LMP 。LMP 通常由各种细胞应激因素触发，是细胞死亡途径中的关键环节。在细胞死亡过程中，特定的成孔蛋白（PFP）起着重要作用，如在凋亡过程中的 BAX、BAK、BOK，在焦亡和坏死性凋亡过程中的 gasdermins（GSDM）和混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）等。它们的非活性前体经过一系列复杂过程转化为成孔实体，诱导 LMP 。例如，在坏死性凋亡启动时，MLKL 被激活并转移到溶酶体膜，其寡聚化会诱导溶酶体聚集和融合，最终引发 LMP，导致细胞死亡 。在多种疾病中都发现了 LMP 的异常，如 Sicca 综合征（SS）中，LAMP3 表达增加会促进 LMP 和组织蛋白酶的重新定位，加速细胞凋亡；在肝细胞脂毒性损伤中，凋亡蛋白 BAX 可招募坏死性凋亡执行蛋白 MLKL 到溶酶体，引发 LMP；在透明细胞肾细胞癌（ccRCC）中，丝氨酸羟甲基转移酶 2（SHMT2）通过代谢重编程影响 LMP 过程，促进肿瘤进展；熊果酸在乳腺癌治疗中，可通过影响溶酶体功能诱导 LMP 和细胞死亡 。
- 溶酶体损伤与应激颗粒（SG）形成：应激颗粒是细胞在应激时，由蛋白质和 RNA 组装形成的直径为 0.1 - 2μm 的无膜细胞器 。近年来研究发现，溶酶体损伤可以诱导 SG 形成。多种溶酶体损伤剂，如 SARS - CoV - 2 ORF3a、结核分枝杆菌、致病性 tau 等，都能诱导 SGs 的形成 。在溶酶体损伤过程中，哺乳动物 ATG8s 与核心 SG 蛋白 NUFIP2 和 G3BP1 直接相互作用，这种 ATG8 修饰对于将它们招募到受损溶酶体至关重要 。随后，NUFIP2 通过 Ragulator - RagA/B 复合物促进 mTOR 失活，进而调节 SG 的形成 。2024 年的研究表明，SG 的形成通过钙依赖途径启动，这一过程在溶酶体损伤后促进细胞存活，其中 ALIX 蛋白通过调节 eIF2α 的磷酸化来诱导 SG 形成，而 galectin - 3 则对这一过程起负向调节作用 。
- 溶酶体损伤修复机制的进展：近年来，科学家们对溶酶体损伤修复机制进行了深入研究，发现了溶酶体恢复、溶酶体自噬和溶酶体再生等过程。转录因子 TFEB 和 TFE3 在溶酶体损伤修复中起着不可或缺的作用 。当溶酶体受损时，mTORC1 的活性受到抑制，导致 TFEB 和 TFE3 的磷酸化水平降低，它们从 14 - 3 - 3 蛋白上解离并转移到细胞核内，与溶酶体相关基因启动子上的 CLEAR 元件结合，增强相关基因的转录，促进溶酶体的生物发生和分泌，修复受损的溶酶体系统 。此外，溶酶体损伤导致钙离子释放，激活钙依赖性蛋白磷酸酶，如钙调神经磷酸酶，它能使 TFEB 和 TFE3 去磷酸化，进一步激活它们 。
溶酶体的降解过程涉及溶酶体吞噬和微自噬两种关键机制。严重受损的溶酶体通过溶酶体自噬进行选择性降解，而轻度受损的溶酶体则依赖于运输所需的内体分选复合物（ESCRT）进行快速修复 。在溶酶体自噬过程中，受损的溶酶体膜蛋白发生泛素化，吸引泛素结合的自噬衔接蛋白，如 TAX1BP1 和 p62，它们连接到自噬体膜上，随后与健康的溶酶体融合，实现对受损成分的完全降解 。同时，V - ATPases 可以直接招募 ATG12/ATG5/ATG16 复合物，启动非经典的溶酶体自噬过程 。微自噬机制则参与溶酶体膜蛋白的降解，泛素化的溶酶体膜蛋白被 ESCRT 复合物识别，触发微自噬过程，介导溶酶体内膜小泡的形成和降解，实现对特定泛素化膜蛋白的选择性清除 。除了上述机制，溶酶体损伤后，Ca2 +的释放会迅速招募 ESCRT 复合物到受损的溶酶体膜上，ESCRT 复合物在膜上组装成螺旋结构，重塑膜结构，促进受损膜向内翻转进入溶酶体腔，最终通过 VPS4 的膜切割实现修复 。然而，研究发现即使没有 ESCRT 复合物，溶酶体损伤仍能快速修复，这表明细胞中存在其他关键的修复机制 。近期研究发现，LMP 会触发磷脂酰肌醇启动的膜 tethering 和脂质运输（PITT）途径进行修复，这被认为是溶酶体损伤修复的核心机制 。具体来说，PI4K2A 在受损溶酶体上积累，产生磷脂酰肌醇 - 4 - 磷酸，招募 ORP 家族成员，促进磷脂酰丝氨酸和胆固醇从内质网转移到溶酶体，支持快速修复，脂质转移蛋白 ATG2 也参与这一过程 。
溶酶体损伤修复机制与疾病的关系
- 溶酶体与衰老、神经退行性疾病：溶酶体损伤是机体衰老和多种疾病发生的标志，研究表明细胞寿命依赖于溶酶体的功能 。神经退行性疾病是一类常见于老年人的慢性进行性疾病，如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿病和肌萎缩侧索硬化等，这些疾病严重影响患者的生活质量，给社会和经济带来沉重负担 。在神经退行性疾病中，SGs 与疾病的病理生理过程相关，慢性应激可导致病理性 SGs 的形成，损害细胞 RNA 代谢，促进 AD 相关蛋白的异常聚集 。此外，衰老细胞中胆固醇代谢发生改变，胆固醇在溶酶体内积累，影响微结构域的形成，激活 mTORC1 信号通路，对细胞衰老产生影响 。在 AD 中，溶酶体损伤会导致 tau 蛋白纤维泄漏，损伤神经细胞；同时，β - 淀粉样蛋白的积累也是 AD 的重要病理特征，当溶酶体功能受损时，细胞清除有害蛋白的能力下降，可能导致这些物质在细胞内积累，促进疾病的发展 。帕金森病的发病机制之一与 Parkin 介导的线粒体自噬途径功能障碍有关，使用 ROCK 抑制剂可增强该途径，改善 PD 的相关表型 。此外，脂质滴（LD）的积累会加重 AD 病理和溶酶体功能障碍，影响自噬过程 。
溶酶体的酸化功能对维持其正常功能至关重要，V - ATPase 质子泵和离子通道共同调节溶酶体的酸化 。在神经退行性疾病中，溶酶体酸化功能受损，导致降解效率降低，有毒蛋白聚集物积累，影响神经元的存活 。例如，在帕金森病中，与易感性相关的 TMEM175 基因变体导致 LyPAP 电流减少和溶酶体过度酸化，通过激活溶酶体功能和恢复其降解能力，有望减缓疾病进展 。2. 溶酶体与肿瘤：在癌细胞中，溶酶体的生成和自噬过程增强，以满足其在营养和氧气相对缺乏环境中的增殖需求 。然而，这也使得癌细胞更容易受到溶酶体膜通透性增加的影响，导致细胞死亡 。研究发现，经典癌基因如 Kras 和 Myc 的异常激活可增加溶酶体相关基因的表达 。一些癌症，如胰腺癌、肾细胞癌、黑色素瘤和乳腺癌等，存在 MiT/TFE 基因的过表达 。癌细胞通过增强自噬和内吞等营养清除途径，激活 mTOR 信号通路，促进细胞增殖 。此外，肿瘤细胞还诱导溶酶体内容物释放到细胞外空间，影响癌细胞的增殖、迁移、侵袭以及对放疗和化疗的抗性 。
溶酶体参与细胞内病原体和外来物质的降解，影响肿瘤细胞的免疫逃逸、药物代谢和降解，与肿瘤细胞的耐药性密切相关 。TFEB 作为溶酶体功能的关键调节因子，在多种癌症中被视为癌基因 。研究表明，癌细胞中溶酶体的粘度高于正常细胞，pH 值低于正常细胞，这些特性可作为癌症的生物标志物 。例如，今年报道的一种对粘度敏感、靶向溶酶体的近红外荧光探针 PYATT，在肿瘤细胞中的荧光强度增强，可用于肿瘤的可视化和早期诊断 。此外，研究人员利用纳米颗粒构建了选择性、安全有效的溶酶体碱化剂，能有效抑制小鼠肿瘤的生长和转移 。在肺癌细胞中，长链非编码 RNA - Lysosomal Cell Death Regulator（LCDR）通过调节组蛋白乙酰化维持溶酶体膜的完整性，影响细胞存活 。在癌症治疗中，溶酶体在多药耐药中起着关键作用，化疗药物在溶酶体中积累，癌细胞通过多种机制将药物泵入溶酶体，导致药物无法到达细胞内靶点，降低溶酶体活性，同时激活 TFEB 介导的溶酶体生物发生，加剧耐药性 。此外，溶酶体的胞吐作用也与耐药性有关 。溶酶体不仅参与抗原处理，还控制 MHC - I 在细胞膜上的表达，影响肿瘤细胞的免疫逃逸 。例如，在胰腺导管腺癌（PDAC）细胞中，MHC - I 通过溶酶体依赖的自噬降解，导致其表面表达减少，抑制自噬可恢复 MHC - I 水平，促进 T 细胞反应 。同时，溶酶体还参与调节肿瘤微环境，影响肿瘤的生长和侵袭 。3. 溶酶体与炎症和免疫调节：炎症和免疫调节是机体抵御外部病原体和维持内环境稳态的核心机制。溶酶体自噬在炎症过程中发挥着复杂的作用，它可以通过泛素化等方式标记 “自噬货物”，参与抗炎自噬，限制炎症反应 。同时，自噬还能通过不同机制抑制多种炎症信号通路的激活，如 ATG5 - ATG12 复合物可抑制 RIG - 1 样受体（RLR）信号通路，ATG9 可抑制 dsDNA 诱导的 IFN 信号通路，RUBICON 可通过抑制 BCL - 10 复合物的形成下调 NF - κB 活性 。此外，自噬还能通过清除受损线粒体，减少促炎分子的释放，抑制白细胞介素的产生，减轻炎症反应 。然而，当溶酶体受损时，危险分子如氧化的线粒体 DNA 会释放到细胞质中，激活炎症小体，促进炎症反应 。
在免疫细胞中，溶酶体自噬对细胞的正常发育、分化和功能至关重要 。高水平的溶酶体自噬有助于免疫细胞发挥抗炎活性 。溶酶体在免疫调节中发挥着重要作用，它为免疫细胞提供营养和能量，降解病原体和细胞外基质，支持免疫细胞的活性和功能 。在先天性免疫中，细菌通过吞噬作用被内化并在溶酶体中降解，TLRs 在溶酶体膜上识别微生物和宿主配体，触发促炎信号 。在适应性免疫中，抗原肽通过主要组织相容性复合体 II 类（MHC - II）分子呈递给 CD4+ T 细胞，溶酶体的降解和变性对抗原呈递至关重要 。此外，溶酶体在调节性 T 细胞（Tregs）的免疫抑制功能中也起着重要作用，它维持内溶酶体系统的稳态，调节氨基酸信号依赖的 mTORC1 通路和细胞代谢，确保 Treg 细胞的正常功能 。转录因子 EB（TFEB）在调节炎症免疫反应中也发挥着重要作用，它通过影响溶酶体生物发生和直接控制免疫相关基因的转录，全面调节机体的免疫反应 。4. 溶酶体与再生医学：再生医学旨在修复受损的组织和器官，为患者带来新的希望 。溶酶体在再生医学中发挥着重要作用，它参与细胞外基质的降解和重塑 。例如，在线虫蜕皮期间，表皮细胞内的溶酶体被特异性激活，促进角质层成分的降解和回收，帮助合成新的角质层，完成蜕皮过程 。此外，溶酶体还能降解老化的细胞外基质成分，为新的基质成分提供空间，促进细胞迁移和黏附，有助于组织再生和修复 。
研究表明，溶酶体在干细胞调节中起着核心作用，其表面是 mTORC1 和 AMPK 等代谢信号通路的枢纽，对干细胞分化至关重要 。在造血干细胞中，TFEB 和 MYC 对溶酶体活性的调节影响干细胞的分化和自我更新 。此外，溶酶体还参与调节细胞凋亡和自噬过程，为新细胞的生长和分化提供有利环境 。在再生医学中，研究人员致力于通过干细胞疗法修复受损的神经系统，治疗神经退行性疾病 。溶酶体通过调节核转录因子如 TFEB，影响基因表达，决定干细胞的命运 。同时，溶酶体还能通过降解代谢物和响应表观遗传修饰，参与细胞代谢和信号转导，与其他细胞器形成膜接触位点，共同调节代谢和信号转导过程 。在间充质干细胞治疗中，溶酶体损伤可能导致间充质干细胞（MSCs）移植后存活和分化无效 。
细胞重编程是再生医学中的一项技术，溶酶体在这一过程中也发挥着重要作用，它参与调节细胞内物质降解和信号转导 。在再生医学的药物治疗和生物材料方面，研究溶酶体损伤修复机制有助于开发针对溶酶体损伤相关疾病的新药物治疗策略，以及设计和开发促进细胞存活和功能的生物相容性生物材料 。在心脏细胞再生中，溶酶体同样发挥着关键作用。心血管疾病，尤其是缺血性心肌病，严重威胁人类健康 。受损的自噬 - 溶酶体途径（ALP）在这类疾病中起着重要作用 。研究发现，受损的心脏 TFEB 信号在心脏蛋白质相关疾病中起着关键作用，TFEB 过表达可通过提高 ALP 活性保护心脏细胞 。LAMP - 2 作为维持溶酶体完整性和功能的关键蛋白，在心脏细胞修复过程中也不可或缺，它促进溶酶体小泡与内体的融合，维持溶酶体 pH 和稳定性，参与自噬过程，调节自噬通量，促进心脏细胞的修复和再生 。然而，LAMP2 基因突变可能导致原发性 LAMP - 2 缺乏，引发罕见的 X 连锁空泡性心肌病和肌病，即 Danon 病 。
心肌缺血 / 再灌注损伤（MI/R）是心血管医学领域的一大挑战，溶酶体在心肌损伤修复中具有重要作用 。在缺血阶段，溶酶体通过 AMP 激活的蛋白激酶途径被激活，清除诱导心肌细胞死亡的错误折叠蛋白和受损线粒体，对心肌起到保护作用 。但在再灌注阶段，自噬的诱导依赖于 Beclin - 1 而非 AMPK，此时自噬可能会过度消耗细胞内资源，加重细胞损伤 。此外，糖尿病患者心脏细胞中自噬体的形成受到抑制，影响了受损物质的清除和自噬过程 。近期研究揭示了溶酶体膜蛋白 LAPTM<
