溶酶体和线粒体共存的可能性

Lysosomes and mitochondria might coexist just like some kind of gram-negative bacterium engulfed by original eukaryotic cells and coexist billions of years ago

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在正常情况下，大部分肝细胞处于G0期，很少分裂，但是当受到某些机械，病毒，药物等刺激时，G0期细胞可以进入G1期，启动细胞周期。大鼠进行2/3肝切除后，剩余肝脏仍可代偿性的长到原来大小，并恢复其功能，这个过程称为肝再生（Liver regeneration，LR）。很多激素，细胞因子，蛋白，信号通路参与肝再生过程，迄今为止，对肝再生过程还没有非常明确的了解，尤其是启动和终止阶段^[1-3]。

溶酶体是广泛存在于真核细胞中对细胞功能有重要作用的细胞器，自噬（Autophagy）是溶酶体介导的降解受损或冗余细胞成分为小分子物质的过程，降解后的物质可以被重新利用。这些功能主要是溶酶体膜蛋白和内腔中的酸性水解酶类来执行的。迄今为止，发现至少50种溶酶体酸性水解酶^[4]，这些水解酶直接行使催化功能，但溶酶体膜蛋白的作用也极其重要，比如，维持溶酶体内酸性环境，选择性的运输需要被降解的物质，介导溶酶体膜和其他膜的融合等^[5]。自噬参与了机体很多重要的生理过程，如细胞发育，分化，衰老，死亡等^{[6; 7]}。越多的越多的证据表明，自噬和人类的一些疾病和肿瘤发生有很大关系^[8]。所以，自噬在细胞和机体的生命中扮演着重要角色。

关于肝再生与自噬的研究已有不少报道^[9-13]，研究发现，正常小鼠70%肝切除后，发生积极自噬而免于细胞老化，并通过维持健康的线粒体形态刺激线粒体代谢，通过氧化磷酸化为肝再生提供能量^[14]。还有研究发现，肝再生早期，线粒体通透性没有明显改变，而24h之后内膜通透性降低，氧化磷酸化偶联增强，效率提高^[15]。为了解大鼠2/3肝切除肝再生与自噬的关系，自噬相关信号通路及相关蛋白在肝再生不同时间点的变化，并阐明其机制，本研究借助同位素标记相对和绝对定量(isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ)结合质谱（mass spectrometry，MS）方法检测了大鼠肝再生2、6、12、24、30和36小时等6个时间点自噬相关蛋白的表达变化，并分析了他们的表达模式和相互作用及其与肝再生的关系。根据实验结果我们提出溶酶体和线粒体可能有共存的形式，且从分子水平阐释其存在的可能机理。除了自噬，真核细胞还有一种降解蛋白质的系统，现在有研究发现两种蛋白降解体系之间有着某种联系^[16-19]，但是机理有待阐明。我们首次在蛋白水平分析了大鼠肝再生自噬与泛素介导的蛋白酶体途径之间可能的联系。

大鼠肝再生自噬相关蛋白聚类分析

自噬相关蛋白之间的联系

可能性示意图

Figure 4 溶酶体和线粒体共存及可能性

大鼠肝切除后，合成活动旺盛，需要大量的能量供应。和能量相关的AMPK信号通路激活，以对抗这种应激状态。而和自噬直接相关的溶酶体膜蛋白和大量酸性水解酶表达上调，线粒体内膜相关蛋白表达增强，意味着线粒体功能并未受到大的影响，根据以上分析，

我们提出一个设想，溶酶体和线粒体可以融合共存。也就是内体溶酶体和自噬体融合后，并未发生传统的线粒体完全被消化，而是像十几亿年前的原真核细胞吞噬原线粒体一样，线粒体内膜与溶酶体外膜共存，这无论从能量和节约体内物质成分，还是从快速提供能量上，都不失为一种合理的存在方式，示意图见figure4(a)。其共存机理见figure4(b)。线粒体内外膜间隙为酸性环境，而溶酶体内也是酸性环境，这就为它们的共存提供了可能。线粒体内膜电子传递链不断向膜间隙泵出电子，产生电位差。膜间隙的酸性环境对于酸性水解酶的催化作用必不可少，而水解后的成分转运出共存体，可以满足肝再生的需要，而H+向线粒体基质中的回流又可以产生ATP供机体需要。这样也就不难理解泛素-蛋白酶体的相关蛋白，溶酶体膜蛋白，和线粒体膜蛋白等的不同寻常的表达变化。值的一提的是GFER在其中究竟起了什么作用还不得知，但它的表达变化却暗示着其和肝再生的关系或许与此有关。

韩淑媛研究发现^[47]，肝切除后15小时左右，溶酶体数量和体积明显增加，许多细胞器衰退，唯独溶酶体数量增加并形成多种形式的自噬体，这表明细胞进入S期前，结构更新加速，溶酶体自噬增加，以清除这些衰退结构，这是细胞增殖的必要前提条件。缪明永等对肝再生中线粒体变化的长期研究发现^{[15; 48]}，肝再生中线粒体通过降低线粒体内膜的通透性继而增强氧化磷酸化来适应再生中的能量需求，并且作者提出可以有两个方面增强线粒体功能，一是表达合成大量与氧化磷酸化有关的蛋白质提高ATP产能，但这会消耗很多ATP。二是直接调节线粒体内膜性质，呼吸链结构或内环境来提高氧化磷酸化的效率。显然，第二种比较合理。而线粒体溶酶体共存假说可以解释这个问题。早期，溶酶体外膜和线粒体外膜融合或把线粒体外膜降解，那么溶酶体本身含有的内含物和酶可以直接把物质降解成小分子跨越线粒体内膜进入线粒体，但是这个时候因为氧气下降，所以呼吸链功能不会太强，而溶酶体内部的酸性环境直接可以提供质子浓度梯度，从ATP合酶进入内膜，合成ATP，所以这个时候ATP不会下降太多。而后期24h之后，随着功能的恢复，线粒体功能逐渐恢复，呼吸链恢复正常。已有实验证实，通过降低pH人为的加在线粒体膜质侧一个质子浓度，即使缺少氧化型底物，也能合成ATP^[49]。翟心慧等研究发现，辅酶Q10在肝再生增值期有明显促进线粒体氧化磷酸化功能，且效果和剂量正相关，其中以PH后48h最明显^[50]。依共存理论，肝再生初期，ATP生成溶酶体建立的质子梯度对ATP的生成起了重要的作用，那么前期添加CoQ10对氧化磷酸化的影响不显著而后期显著（后期线粒体内膜通透性恢复）就不难理解了*。

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