Nat Commun丨李明課題組解析LYSET調(diào)控GNPT以及M6P途徑的分子機制

在真核細(xì)胞中，溶酶體被譽為 “ 細(xì)胞的降解中心 ” ，承擔(dān)著降解并循環(huán)利用細(xì)胞內(nèi)生物大分子，甚至清除受損線粒體等細(xì)胞器的重要職責(zé)。為實現(xiàn)這些功能，溶酶體內(nèi)富集了 60 余種酸性水解酶，而這些酶能否被精準(zhǔn)運送至溶酶體，直接決定了其降解體系的正常運轉(zhuǎn)。為此，高等生物（尤其是脊椎動物）在進化過程中建立了一套精密的分選系統(tǒng) ——甘露糖-6-磷酸（ mannose-6-phosphate,M6P）途徑。在 該途徑 中，溶酶體水解酶在高爾基體被識別并修飾上特定的 “ 郵政編碼 ”——M6P 標(biāo)記，從而被下游的甘露糖 -6- 磷酸受體（ CI/CD-MPR ）識別并結(jié)合，經(jīng)由內(nèi)膜運輸系統(tǒng)精準(zhǔn)遞送至溶酶體。這一關(guān)鍵標(biāo)記的生成依賴于核心酶復(fù)合體 ——N-乙酰氨基葡萄糖-1-磷酸轉(zhuǎn)移酶(GNPT) 。 GNPT 的功能 異常會 直接導(dǎo)致多種溶酶體 酶運輸 錯亂，從而引發(fā)被 稱為粘脂沉積 癥（ Mucolipidosis ）的溶酶體貯積性疾病。因為其重要作用， M6P 途徑長期被認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)的默認(rèn)途徑。 2022 年，包括李明課題組在內(nèi)的三項獨立研究幾乎同時報道了首個M6P途徑的調(diào)控因子——TMEM251/LYSET【1-3】。 LYSET 通過與 GNPT 相互作用參與調(diào)控 M6P 標(biāo)記途徑， LYSET 缺陷 不僅導(dǎo)致溶酶體 酶運輸 障礙，還會引發(fā)一系列高度依賴溶酶體功能的細(xì)胞過程紊亂，包括內(nèi)吞作用、自噬通路受損，以及營養(yǎng)匱乏條件下腫瘤細(xì)胞增殖受抑和病毒感染復(fù)制效率下降等重要病理生理過程。 LYSET 的發(fā)現(xiàn)為溶酶體基礎(chǔ)研究和相關(guān)人類疾病治療提供了新的思路和方向， 但領(lǐng)域 內(nèi)對 LYSET 究竟如何在分子層面調(diào)控 GNPT 依然缺乏了解。

2026 年 3 月 11 日，美國密歇根大學(xué)李明教授課題組在 Nature Communications 在線 發(fā)表了題為 Molecular insights into the Regulation of GNPTαβ by LYSET 的研究論文 ，深入解析了LYSET調(diào)控GNPT以及M6P途徑的分子機制。

在本項研究中，為了系統(tǒng)解析 LYSET 與 GNPT 之間的分子遺傳關(guān)系，研究者首先利用 CRISPR-Cas9 技術(shù)，在多個細(xì)胞系中分別構(gòu)建了這兩個基因的敲除模型。結(jié)果顯示，無論是 GNPT 還是 LYSET 缺失，均會導(dǎo)致溶酶體水解酶發(fā)生典型的 M6P 修飾缺陷表型 —— 即本應(yīng)被遞送至溶酶體的水解酶異常分泌至細(xì)胞外。這一高度一致的表型提示， LYSET 與 GNPT 在功能上具有緊密的遺傳關(guān)聯(lián)， 并很可能共同作用于 M6P 途徑的上游修飾階段。

作為 M6P 標(biāo)記反應(yīng)的起始酶， GNPT 以前體形式合成，需在高爾基體中經(jīng)由蛋白酶 site-1 protease (S1P) 切割生成 α 和 β 兩個亞基后，方可獲得催化活性。值得注意的是，在 LYSET 缺失的細(xì)胞中， GNPT 不僅整體蛋白水平顯著下降，其成熟后的 α/β 活性亞基也同步減少 。 研究者提出了兩個可能路徑：其一， LYSET 可能影響 S1P 介 導(dǎo)的 GNPT 蛋白剪切成熟過程；其二， LYSET 可能維持 GNPT 的蛋白穩(wěn)定性， LYSET 缺失會導(dǎo)致 GNPTAB 蛋白降解 —— 亦或 這兩種機制協(xié)同作用。為了區(qū)分上述可能性，研究團隊進一步結(jié)合 pulse-chase 與溶酶體純化等手段，對 GNPT 的合成、加工與降解動態(tài)進行了系統(tǒng)追蹤。研究結(jié)果表明， LYSET 可以在蛋白加工、亞細(xì)胞定位及蛋白穩(wěn)定性等多個層面調(diào)控 GNPTAB 的命運：在 LYSET 敲除細(xì)胞系中， GNPT 的切割成熟過程明顯受阻，前體蛋白向 α/β 活性亞基的轉(zhuǎn)化效率降低，提示 S1P 介 導(dǎo)的剪切過程受到影響。同時無論是 GNPT 前體蛋白還是切割后 α/β 活性亞基蛋白都更容易被運輸?shù)饺苊阁w降解，導(dǎo)致其高爾基體定位嚴(yán)重受損。

那么， LYSET 究竟是如何調(diào)控 GNPT 在高爾基體中的定位的？圍繞這一關(guān)鍵問題，研究者進一步對 LYSET 蛋白本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功能區(qū)域進行了系統(tǒng)解析。通過蛋白酶保護實驗、定點突變以及結(jié)構(gòu)功能篩選等多種手段，研究 者 發(fā)現(xiàn) LYSET 基因編碼一個雙跨膜（ two-pass transmembrane ）蛋白，其 N 端和 C 端均朝向 細(xì)胞質(zhì)一側(cè)，并分別包含對其功能至關(guān)重要的結(jié)構(gòu) 域。在 N 端， LYSET 包含一個 FXXΦ （如 FXXR ）基序，該結(jié)構(gòu)可與 GOLPH3 蛋白發(fā)生相互作用。已知 GOLPH3 能夠通過連接 COPI 復(fù)合體參與高爾基體膜蛋白的回收與定位維持。因此， LYSET 通過其 N 端結(jié)構(gòu)域與 GOLPH3 相互作用從而實現(xiàn)其自身和 GNPT 在高爾基體的定位。與此相對應(yīng)， LYSET 的 C 端則參與其與另一關(guān)鍵膜蛋白回收復(fù)合體 ——Retromer 復(fù)合體的相互作用。在 Retromer 功能受損的突變背景下， LYSET 的高爾基體定位明顯受到破壞 。 換言之， LYSET 不僅需要 “ 錨定 ” 于高爾基體，還依賴于動態(tài)的回收機制維持其穩(wěn)態(tài)分布。通過進一步的定點突變分析，研究者在 LYSET 的 C 端鑒定出兩段可能參與 Retromer 識別的關(guān)鍵氨基酸序列（ 97–99 與 108–110 位點）。當(dāng)這些位點發(fā)生突變時， LYSET 的高爾基體定位能力顯著下降 。

基于上述結(jié)果，本研究提出了一個精細(xì)的結(jié)構(gòu) – 功能模型：LYSET通過其N端與GOLPH3介導(dǎo)的高爾基體錨定，以及C端與Retromer復(fù)合體介導(dǎo)的回收循環(huán)，形成一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，從而實現(xiàn)自身和其相互作用蛋白GNPT在高爾基體區(qū)域的穩(wěn)定駐留。在這一基礎(chǔ)上， LYSET 進一步調(diào)控 S1P 介 導(dǎo)的 GNPT 切割成熟效率，從而保障其在 M6P 途徑和溶酶體水解酶識別修飾通路中的關(guān)鍵作用。當(dāng) LYSET 缺失時， GNPT 的蛋白定位，穩(wěn)定性及加工成熟均會受到影響，從而導(dǎo)致溶酶體水解酶異常分泌和溶酶體功能受損。 在人類中， LYSET （ TMEM251 ）編碼基因的突變會導(dǎo)致溶酶體貯積癥 —— 黏 脂貯積癥 V 型（ mucolipidosis type V ）。

美國密歇根大學(xué)李明教授為本文通訊作者。課題組博士后楊曦（已出站，現(xiàn)為美國丹佛大學(xué)助理教授）、博士后 Danielle Henn ，博士生 Varsha Venkatarangan ( 已畢業(yè)，現(xiàn)為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后 ) 和華盛頓圣路易斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院 Balraj Doray 博士為本文的并列第一作者。課題組其他成員對本文亦有貢獻 . 目前 李明 課題組正在招募博士后并歡迎聯(lián)合培養(yǎng)的博士生，關(guān)于實驗室的進一步詳細(xì)信息可見 https://sites.lsa.umich.edu/mlium-lab/ 。有興趣的同學(xué)可聯(lián)系 進行討論。

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https://www.nature.com/articles/s41467-026-70402-6

制版人： 十一

參考文獻

1. Zhang et al. GCAF (TMEM251) regulates lysosome biogenesis by activating the mannose-6-phosphate pathway .Nature communications(2022)

2. Pechincha et al.,Science10.1126/ science.abn 5637 (2022).

3. C. M. Richards et al.,Science10.1126/ science.abn 5648 (2022).

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