mTORC1对溶酶体上V-ATPase结构以及功能的调节机理研究

Macroautophagy（Autophagy）is an important physical mechanism, through a well-regulated process, that digests unnecessary or dysfunctional cellular components. But little is known about how lysosomal function is activated in the final stage of autophagy. We recently reported that mTORC1 not only inhibited autophagy at its initiation stage via suppressing ULK1 (Atg1) complex, but also hampered lysosomal activity through inhibiting the transcriptional activity of TFEB（published on “Cell Research” and “Autophagy”journals）. However, lysosomal activation upon mTORC1 inhibition was surprisingly rapid (about 30 min), suggesting that mTORC1 may directly exert its inhibitory effect on lysosome through a non-transcriptional TFEB-independent pathway. Our preliminary study demonstrated that mTOR catalytic inhibitors (PP242 and Torin1) could promote aggregations of the V0 and V1 complex of V-ATPase (vacuolar proton-translocating ATPase), an proton pump essential for lysosome acidification. We thus hypothesized that V-ATPase may serve as the molecular target for mTORC1 direct suppression on lysosomal function. In this project, we plan to study whether inhibition of mTORC1 activity could affect V-ATPase structure and function, and explore the molecular mechanisms involved. Results from this study will, for the first time, identify the direct target of mTORC1 in lysosome, and clarify the novel regulatory mechanism of mTOR in lysosome.

细胞自噬是一个降解老化或受损细胞成分的生理过程，且受严格调控。但在自噬的成熟降解阶段，溶酶体如何被调控激活仍亟待探索。我们的前期研究发现，mTORC1不仅通过ULK1阻断自噬的启动，还可以通过调控TFEB的转录活性而抑制溶酶体（已发表于Cell Research以及Autophagy杂志）。然而mTORC1抑制剂对溶酶体的激活非常迅速（30分钟），提示mTORC1有可能通过非转录途径直接调控溶酶体。预实验发现mTORC1抑制剂可促进V-ATPase的V1和V0结构域的聚合，而后者是维持溶酶体酸性环境的关键质子泵。因此我们假设mTORC1可能通过对V-ATPase结构和功能的调控从而直接抑制溶酶体的活性。本课题将研究mTORC1对V-ATPase活性和溶酶体功能的影响,以及其中的分子调控机制。本研究成果将第一次揭示mTORC1在溶酶体的直接作用靶点，从而阐明mTORC1调控溶酶体的分子机制。

细胞自噬是一个被严格调控、降解多余或功能失调细胞成分的生理和病理过程。但在自噬后期的成熟降解阶段，溶酶体如何被调控激活以及如何利用调控溶酶体来进行癌症治疗仍亟待探索。本课题包含以下两个主要研究部分：.其一、课题组研究了饥饿或抑制mTORC1活性对于V-ATPase活性以及溶酶体功能的影响和可能的分子机制。我们发现饥饿状态以及mTOR抑制剂改变了V-ATPase V1和V0结构域的聚合状态. 进而快速（30分钟内）激活溶酶体功能和降解能力。但研究进一步发现，V-ATPase的活性改变并非是溶酶体活性增强的关键原因。这是因为特异地沉默V-ATPase B2 和 V-ATPase H 蛋白的表达后，mTOR抑制剂依然对溶酶体的激活有明显的促进作用。这个结果提示了溶酶体上有mTOR的其他作用靶点，可以快速响应mTOR抑制剂对溶酶体功能的促进作用。这部分基础研究的结果正在总结和论文撰写阶段。.其二、课题组针对常见的植物提取单体槲皮素和青蒿素，探索了调控mTOR-TFEB的转录活性和溶酶体活性对于植物提取单体的抗癌作用机理的影响。结果发现，槲皮素经由mTOR抑制-TFEB转录活性激活-溶酶体功能增强-载铁蛋白降解的通路，导致了过量铁释放，从而引起了脂质过氧化和铁死亡。这种细胞死亡是P53蛋白非依赖的，可以在不同肿瘤细胞中实现抗癌效果。在针对另一植物单体青蒿素的研究中，也发现青蒿琥酯也可以激活溶酶体，从而促进溶酶体依赖的铁释放，因此加强了一线抗肝癌药物索拉菲尼对铁死亡的诱导作用。青蒿琥酯与索拉菲尼在治疗肝癌上的协同作用，已通过体外细胞和动物体内实验得到了验证。这个研究部分已经有一篇核心期刊论文发表和一篇SCI论文处在修回阶段，另外两篇SCI论文还在审稿阶段。同时我们利用这个课题的技术方法协助了另两篇SCI论文的发表。.因而，我们的研究一方面发现了mTOR抑制对于溶酶体具有快速激活的作用，另一方面通过以上基础研究结果，探索了槲皮素和青蒿素通过溶酶体依赖的铁死亡发挥的抗癌作用。此研究结果为植物单体的抗癌机理研究提供新的靶点，为开发利用植物药起到了引领和转化的促进作用。.