中国科学技术大学生命科学与医学部熊伟教授团队与仓春蕾教授团队通过建立单溶酶体代谢组质谱检测技术，首次实现基于单个溶酶体代谢组学信息的溶酶体分型，并深度探索了细胞衰老过程中溶酶体代谢组学的异质性改变。该研究成果以“Metabolomic Profiling of Single Enlarged Lysosomes”为题，于2021年6月14日在线发表在自然杂志子刊《Nature Methods》上。
溶酶体是几乎存在于所有真核细胞中的细胞器，是细胞内必不可少的消化站。溶酶体对于维持能量和代谢的稳态、信号转导以及受损蛋白和细胞器的回收是必不可少的。它们的功能已被广泛证实参与了许多生理和病理过程，例如越来越多的证据表明细胞衰老就与溶酶体及其内部代谢过程有着密切的联系。早期对于溶酶体代谢的研究一般都是经过分离、纯化得到大量溶酶体并匀浆后进行分析，然而仅仅在一个细胞中就包含多种溶酶体，如自噬溶酶体（autolysosome）、内吞溶酶体（endolysosome）等。因此，研究不同类型溶酶体在衰老过程中代谢功能变化的特异性，可以为针对性的开发延缓衰老及治疗衰老相关疾病的药物靶点提供新的可能以及研究途径。不过，由于技术局限性，目前还无法针对单个溶酶体内代谢组进行检测，也更不可能从单个溶酶体代谢组学角度去研究细胞衰老。
研究组建立了世界上首个单溶酶体代谢组质谱分析平台，该平台是一种基于单溶酶体膜片钳与超低速感应纳升电喷雾质谱相结合的技术平台，实现了对细胞内单个溶酶体直接无需任何前处理的代谢组检测，更为真实的保留了溶酶体内代谢组的信息（图1）。通过该技术平台，研究组对细胞衰老过程中各种类型溶酶体的代谢异质性变化进行了深入研究。首先基于单溶酶体代谢组，对至少四种细胞来源（肾细胞、成纤维细胞、上皮细胞等）的溶酶体进行分类，发现在各类细胞中溶酶体均被分为了5个亚群，且均包含了内吞溶酶体和自噬溶酶体。接下来基于单溶酶体代谢组学分析研究了细胞衰老过程中各类溶酶体的代谢变化。发现自噬溶酶体中大多数代谢物显著下调，而内吞溶酶体则相反。在数量上，细胞中自噬溶酶体的比例显著降低，从22%下降到10%，而内吞溶酶体的比例从15%上升到了23%，其它类型溶酶体的比例变化则不明显。此外，研究组也对5个溶酶体亚群在细胞衰老过程中的代谢变化分别展开了解析，发现每类溶酶体亚群的代谢组学改变均不相同。这就说明细胞衰老过程中溶酶体的代谢变化是存在溶酶体类型特异性的，因此研究衰老过程中各类溶酶体的变化异质性是针对性解决细胞衰老及其相关疾病的重要路径之一。
图1.单溶酶体代谢组学分析平台。
中国科学技术大学生命科学与医学部朱洪影副教授，博士研究生李倩倩、廖铁鹏为论文共同第一作者。熊伟教授和仓春蕾教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了基金委、科技部、教育部、中组部、中国科学院以及中国科学技术大学的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-021-01182-8