真核生物中细胞器间的物质和信号交流对细胞生长和稳态调节至关重要，其失调会导致肿瘤、代谢紊乱及免疫疾病的发生。目前，细胞器间的接触是否以及如何控制细胞内的生长信号和稳态调节的，仍有待研究。内质网（ER）与其他细胞器通过特定载体调节胆固醇等脂类的交换是细胞器物质交流的一种重要形式【1】。胆固醇通过低密度脂蛋白（LDL）介导的受体内吞被转运到溶酶体，形成自由胆固醇分子；再经由NPC2-NPC1呈递至溶酶体膜表面，并被交换到ER等细胞器。胆固醇转运异常会诱发C型尼曼-匹克病（Niemann-Pick type C，NPC）的发生，表现为LDL-胆固醇被困于溶酶体内，致使未酯化胆固醇的转运效率大幅下降，当脂质囤积至有毒浓度时导致细胞及组织损伤【2】。
近期研究发现，胆固醇是主要生长调节剂mTORC1激酶的必要激活剂，其能促进mTORC1从细胞质募集到溶酶体膜，进而诱导生物质的生产并抑制下游的分解代谢程序【3, 4】。然而，胆固醇传递到溶酶体膜并激活mTORC1的机制目前尚不清楚。
近日，来自加州大学伯克利分校的Roberto Zoncu领衔的团队在Nature Cell Biology发表题为“ER-lysosome contacts enable cholesterol sensing by mTORC1 and drive aberrant growth signaling in Niemann-Pick type C”的长文，揭示了ER-溶酶体膜接触是激活胆固醇依赖性mTORC1信号的枢纽，其异常的转运活性可能导致自噬调控紊乱和NPC的发病。
本研究中，作者首先利用最近开发的胆固醇生物传感器——mCherry标记的D4H*【5】，检测了细胞内胆固醇的定位，发现胆固醇堆积不仅发生在溶酶体腔内，而且会在胆固醇载体NPC1缺失的溶酶体限界膜上发生。为确定能介导胆固醇转移到溶酶体的载体，作者对免疫纯化的溶酶体进行了基于蛋白质组学的分析，鉴定到一些氧甾醇结合蛋白相关蛋白（oxysterol binding protein (OSBP)-related proteins，ORPs），随后利用敲低实验证明其中的OSBP介导了胆固醇在限界膜上而不是在NPC1缺失溶酶体腔内积累。OSBP定位分析表明其表达主要定位于ER-溶酶体接触部位，并在一种通过内质网将胆固醇从质膜转移到溶酶体限界膜的途径中发挥作用。
2017年，Roberto Zoncu团队就在Science刊文发现溶酶体膜上的胆固醇能驱动mTORC1激活【6】，作者证明OSBP同样能诱导mTORC1的激活，该功能的发挥有赖于一种汇集于Rag GTPases的通路。为确定OSBP的胆固醇转运功能是否以及如何参与mTORC1调节，作者进行了OSBP功能突变实验，发现mTORC1活性既需要OSBP的膜锚定功能，也需要其脂质转运功能。与OSBP在ER-溶酶体接触处的功能一致，shRNA介导的OSBP结合伴侣VAPA/B敲除同样会抑制溶酶体mTORC1的定位，证明OSBP和VAPs在ER-溶酶体接触处形成了胆固醇转运系统，该系统与胆固醇激活mTORC1有关。
上述结果表明，在NPC1缺失细胞中，ER转运到溶酶体的胆固醇显著增加。进一步研究发现，在NPC1缺失细胞中，ER-溶酶体的接触数量增多，免疫共沉淀实验证明OSBP–VAP的互作也变强了，证明NPC1能调节ER-溶酶体的接触和甾醇转运活性。之前研究发现NPC1缺失细胞中的mTORC1信号会发生增强，并对消耗胆固醇的药物产生抗性【6】。结合上述数据，作者推测NPC1缺失溶酶体限界膜上OSBP依赖性积累会导致mTORC1的组成型激活。与该推测一致，作者发现无论NPC1状态如何，OSBP的下调会导致mTORC1完全失活。此外，OSBP缺失抑制了NPC1缺陷细胞中组成型溶酶体mTORC1的定位。mTORC1异常激活会导致自噬受到抑制，而本研究发现在NPC细胞中抑制OSBP驱动的异常mTORC1信号能够恢复自噬产物转运到溶酶体及其随后的降解。
图1 论文模式图
综上所述，本研究发现溶酶体胆固醇池对于Rag GTPase依赖性的mTORC1激活是必需的，而OSBP是与溶酶体相关的甾醇载体中唯一能建立溶酶体胆固醇池的载体，其在ER-溶酶体介导的脂类稳态调控中发挥了重要作用。解决NPC1是如何调节溶酶体胆固醇水平的这一问题，在代谢和神经退行性疾病研究中具有重要意义，本论文为该问题的解决提供了新的证据。此外，利用化学方式调控OSBP是未来纠正NPC发病中溶酶体功能异常和恢复蛋白稳态的一种积极策略，也是治疗mTORC1异常所引发疾病的潜在方案。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41556-019-0391-5
参考文献
【1】Thelen, A. M. & Zoncu, R. Emerging roles forthe lysosome in lipid metabolism. Trends Cell Biol. 27, 833–850 (2017).
【2】Wraith, J.E. & Imrie, J. Understanding Niemann-Pick disease type C andits potential treatment. UK Blackwell Publishing, (2007).
【3】Kim, E., Goraksha-Hicks, P., Li, L., Neufeld, T. P. & Guan, K. L.Regulation of TORC1 by Rag GTPases in nutrient response. Nat. Cell Biol. 10,935–945 (2008).
【4】Sancak, Y. et al. Ragulator-Rag complex targets mTORC1 to the lysosomalsurface and is necessary for its activation by amino acids. Cell 141, 290–303(2010).
【5】Maekawa, M. & Fairn, G. D. Complementary probes reveal thatphosphatidylserine is required for the proper transbilayer distribution ofcholesterol. J. Cell. Sci. 128, 1422–1433 (2015).
【6】Castellano, B. M. et al. Lysosomal cholesterol activates mTORC1 via anSLC38A9-Niemann-Pick C1 signaling complex. Science 355, 1306–1311 (2017).
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