溶酶体是细胞的降解中心，也是细胞内的信号转导、营养感知和自噬调节枢纽。溶酶体功能障碍与多种疾病，如溶酶体贮积症和神经退行性疾病等密切相关。改变溶酶体活性并研究其对疾病发生发展的影响，是研究溶酶体相关疾病的重要策略。然而，目前缺乏能够动态调控溶酶体活性的方法。

2024年4月23日，合肥综合性国家科学中心大健康研究院署名文章Optogenetic manipulation of lysosomal physiology and autophagy-dependent clearance of amyloid beta在PLOS Biology杂志在线发表。该研究开发了一种溶酶体光遗传操控技术，利用该技术，研究团队在活细胞和秀丽隐杆线虫中通过光照实现了对溶酶体生理状态和功能活性的动态调控。此外，研究还利用开发的溶酶体光控工具lyso-ChR2激活细胞自噬，进而在阿尔茨海默病（AD）的细胞和秀丽隐杆线虫模型中显著促进了β-淀粉样蛋白（Aβ）的清除，并缓解了AD相关的表型。

在该研究中，大健康研究院遴选项目仓春蕾课题组与单革课题组研究人员首先对光敏蛋白进行基因改造，利用溶酶体定位信号实现了三种光敏蛋白（NpHR3.0、lyso-ArchT和lyso-ChR2）的溶酶体靶向定位，且验证了它们可以响应光刺激，诱发产生溶酶体膜电流并改变溶酶体膜电位。改造后的光敏蛋白分别被命名为lyso-NpHR3.0、lyso-ArchT和lyso-ChR2。光激活这三种靶向溶酶体的光敏蛋白均可以调控溶酶体生理，包括pH、水解酶活性、降解能力以及Ca2+动力学。具体来说，lyso-NpHR3.0激活升高溶酶体pH；降低组织蛋白酶B（CTSB）活性，增强组织蛋白酶L（CTSL）活性；降低溶酶体的降解能力。而lyso-ArchT和lyso-ChR2激活则均降低溶酶体pH；增强CTSB活性，降低CTSL活性；增强溶酶体的降解能力。在调控溶酶体Ca2+动力学方面，lyso-ArchT促进溶酶体Ca2+释放，lyso-NpHR3.0降低溶酶体内Ca2+的含量，而lyso-ChR2则增加溶酶体内Ca2+含量。这些工具可以满足科研人员在调控溶酶体生理或功能时，上调或下调的需求。

此外，该研究还发现光激活lyso-ChR2可以通过抑制mTOR活性，促进转录因子TFEB进入细胞核，进而启动自噬和溶酶体合成相关基因的表达而激活自噬。另外通过调整光刺激参数，包括光刺激时间、强度和脉冲时间，可以实现自噬水平的精确调控。

已有研究表明，在包括阿尔茨海默病在内的多种神经退行性疾中都存在自噬受损现象。因此研究团队进一步探讨了lyso-ChR2引起的自噬激活能否促进AD相关重要蛋白Aβ的清除以及AD相关表型的缓解。通过在HEK293T细胞中过表达Aβ前体APP的突变体APPswe构建AD细胞模型，或者孵育外源性的荧光标记Aβ肽，均发现lyso-ChR2的激活显著促进了Aβ的清除，且该清除作用依赖于lyso-ChR2诱导的自噬活动。当自噬被抑制后，Aβ的清除效果也随之消失。此外，研究团队还在动物模型中，进一步验证了lyso-ChR2激活对AD的缓解效果。选用温度诱导、肌肉组织过表达Aβ的转基因线虫虫系CL4176作为AD模型。在该虫系中，注射肌肉组织特异性表达的lyso-ChR2质粒，在光刺激后，线虫体内Aβ斑块沉积明显减少，与AD相关的瘫痪表型比率也明显下降。这些研究结果表明激活lyso-ChR2可以通过诱导自噬促进Aβ清除并缓解AD相关的表型。

图1.基于光遗传技术的溶酶体操控技术调控溶酶体生理、自噬活性及Aβ清除的卡通示意图

本研究开发的溶酶体光操控技术将成为溶酶体及相关疾病研究的有力工具，有助于进一步理解溶酶体稳态异常导致疾病发生的机制，同时本研究也表明恢复溶酶体稳态是干预AD的有效策略，为AD以及其他溶酶体相关疾病的临床治疗和药物开发提供了新思路。

论文链接：DOI: 10.1371/journal.pbio.3002591