溶酶体膜电位的调控和功能研究

Transmembrane potential difference widely exists on plasma membrane and intracellular organelles. Plasma membrane potential has been widely investigated, while the regulation and function of organellar membrane potential are less understood. Lysosomes are key organelles for degradation of intracellular macromolecules, as well as important sites of intracellular signal transduction. Previous studies speculated that lysosomal membrane potential may be involved in the regulation of many lysosomal functions. However, due to the lacking of effective method to control lysosomal membrane potential in live cells, this speculation is hard to be verified. In this study, we plan to introduce optogenetic tools to lysosomes and integrate it with lysosomal patch-clamp, gene expression regulation and confocal laser scanning imaging to establish a technical system for controlling lysosomal membrane potential. Using this system, we plan to further investigate the role of lysosomal membrane potential in lysosomal activity and functions. Defects in lysosomal activity and functions have been found related to many diseases such as lysosomal storage disease, neurodegenerative disorder and cancer. Success in this project will bring new insight into the study on mechanism of these lysosome-related diseases and drug development.

跨膜电位差广泛存在于细胞膜及细胞器中。我们对细胞膜电位已经有了深入的理解，但是对细胞器膜电位的调控和功能还知之甚少。溶酶体是细胞内一种重要的细胞器，是细胞降解生物大分子的主要场所，同时还是胞内信号传导的重要中枢之一。先前的研究提示溶酶体膜电位可能与多种溶酶体功能密切相关，但是由于缺乏有效的溶酶体膜电位人为调控的方法，这些结果无法得到验证，也限制了进一步研究的开展。因此，本项目拟将光遗传技术应用到溶酶体研究中，并结合溶酶体膜片钳、基因表达调控、共聚焦显微成像等方法，建立起一套有效的溶酶体膜电位调控技术，并以此为手段研究膜电位对溶酶体活性和多个重要的功能的影响。溶酶体的活性降低和功能缺陷已经被证明和多种疾病密切相关，如溶酶体贮积症、神经退行性疾病、肿瘤等，本项目研究的顺利开展有望为这些疾病的机理研究和药物开发提供新的思路。

跨膜电位差广泛存在于细胞膜及细胞器中。我们对细胞膜电位已经有了深入的理解，但是对溶酶体膜电位的调控机制和功能意义还知之甚少。在本研究中，我们通过在传统光敏离子通道蛋白上添加溶酶体定位序列将这些光敏蛋白成功定位到溶酶体膜上，由此建立了溶酶体光遗传技术，实现了在活细胞和活体动物中动态改变溶酶体膜电位。利用这种技术，我们研究了溶酶体膜电位和离子平衡改变对溶酶体pH、钙离子释放和降解功能的影响，揭示了溶酶体膜电位在溶酶体功能中的重要意义。我们发现激活溶酶体定位的光敏蛋白ChR2（Lyso-ChR2）可以促进细胞自噬，并且能以一种自噬依赖的途径清楚细胞中的Aβ，提示干预溶酶体膜电位和溶酶体功能可能在阿尔兹海默病的治疗中发挥重要作用。此外，我们还研究了两种溶酶体离子通道TMEM175和CLN7对溶酶体膜电位和溶酶体功能的调控，并分别研究了它们在帕金森病和神经元蜡样脂褐质沉积症作用。本研究揭示了溶酶体膜电位对溶酶体功能的重要意义，为溶酶体研究提供了有力工具，同时也为溶酶体相关的多种神经退行性疾病的机制研究和药物开发提供了新的思路，有重要的科学价值和很好的应用前景。