Nat Commun丨李明课题组解析LYSET调控GNPT以及M6P途径的分子机制|亚基|水解酶|溶酶|细胞|蛋白

在真核细胞中，溶酶体被誉为 “ 细胞的降解中心 ” ，承担着降解并循环利用细胞内生物大分子，甚至清除受损线粒体等细胞器的重要职责。为实现这些功能，溶酶体内富集了 60 余种酸性水解酶，而这些酶能否被精准运送至溶酶体，直接决定了其降解体系的正常运转。为此，高等生物（尤其是脊椎动物）在进化过程中建立了一套精密的分选系统 ——甘露糖-6-磷酸（ mannose-6-phosphate,M6P）途径。在该途径中，溶酶体水解酶在高尔基体被识别并修饰上特定的 “ 邮政编码 ”——M6P 标记，从而被下游的甘露糖 -6- 磷酸受体（ CI/CD-MPR ）识别并结合，经由内膜运输系统精准递送至溶酶体。这一关键标记的生成依赖于核心酶复合体 ——N-乙酰氨基葡萄糖-1-磷酸转移酶(GNPT) 。 GNPT 的功能异常会直接导致多种溶酶体酶运输错乱，从而引发被称为粘脂沉积症（ Mucolipidosis ）的溶酶体贮积性疾病。因为其重要作用， M6P 途径长期被认为是细胞内的默认途径。 2022 年，包括李明课题组在内的三项独立研究几乎同时报道了首个M6P途径的调控因子——TMEM251/LYSET【1-3】。 LYSET 通过与 GNPT 相互作用参与调控 M6P 标记途径， LYSET 缺陷不仅导致溶酶体酶运输障碍，还会引发一系列高度依赖溶酶体功能的细胞过程紊乱，包括内吞作用、自噬通路受损，以及营养匮乏条件下肿瘤细胞增殖受抑和病毒感染复制效率下降等重要病理生理过程。 LYSET 的发现为溶酶体基础研究和相关人类疾病治疗提供了新的思路和方向，但领域内对 LYSET 究竟如何在分子层面调控 GNPT 依然缺乏了解。

2026 年 3 月 11 日，美国密歇根大学李明教授课题组在 Nature Communications 在线发表了题为 Molecular insights into the Regulation of GNPTαβ by LYSET 的研究论文，深入解析了LYSET调控GNPT以及M6P途径的分子机制。

在本项研究中，为了系统解析 LYSET 与 GNPT 之间的分子遗传关系，研究者首先利用 CRISPR-Cas9 技术，在多个细胞系中分别构建了这两个基因的敲除模型。结果显示，无论是 GNPT 还是 LYSET 缺失，均会导致溶酶体水解酶发生典型的 M6P 修饰缺陷表型 —— 即本应被递送至溶酶体的水解酶异常分泌至细胞外。这一高度一致的表型提示， LYSET 与 GNPT 在功能上具有紧密的遗传关联，并很可能共同作用于 M6P 途径的上游修饰阶段。

作为 M6P 标记反应的起始酶， GNPT 以前体形式合成，需在高尔基体中经由蛋白酶 site-1 protease (S1P) 切割生成 α 和 β 两个亚基后，方可获得催化活性。值得注意的是，在 LYSET 缺失的细胞中， GNPT 不仅整体蛋白水平显著下降，其成熟后的 α/β 活性亚基也同步减少。研究者提出了两个可能路径：其一， LYSET 可能影响 S1P 介导的 GNPT 蛋白剪切成熟过程；其二， LYSET 可能维持 GNPT 的蛋白稳定性， LYSET 缺失会导致 GNPTAB 蛋白降解 —— 亦或这两种机制协同作用。为了区分上述可能性，研究团队进一步结合 pulse-chase 与溶酶体纯化等手段，对 GNPT 的合成、加工与降解动态进行了系统追踪。研究结果表明， LYSET 可以在蛋白加工、亚细胞定位及蛋白稳定性等多个层面调控 GNPTAB 的命运：在 LYSET 敲除细胞系中， GNPT 的切割成熟过程明显受阻，前体蛋白向 α/β 活性亚基的转化效率降低，提示 S1P 介导的剪切过程受到影响。同时无论是 GNPT 前体蛋白还是切割后 α/β 活性亚基蛋白都更容易被运输到溶酶体降解，导致其高尔基体定位严重受损。

那么， LYSET 究竟是如何调控 GNPT 在高尔基体中的定位的？围绕这一关键问题，研究者进一步对 LYSET 蛋白本身的拓扑结构及功能区域进行了系统解析。通过蛋白酶保护实验、定点突变以及结构功能筛选等多种手段，研究者发现 LYSET 基因编码一个双跨膜（ two-pass transmembrane ）蛋白，其 N 端和 C 端均朝向细胞质一侧，并分别包含对其功能至关重要的结构域。在 N 端， LYSET 包含一个 FXXΦ （如 FXXR ）基序，该结构可与 GOLPH3 蛋白发生相互作用。已知 GOLPH3 能够通过连接 COPI 复合体参与高尔基体膜蛋白的回收与定位维持。因此， LYSET 通过其 N 端结构域与 GOLPH3 相互作用从而实现其自身和 GNPT 在高尔基体的定位。与此相对应， LYSET 的 C 端则参与其与另一关键膜蛋白回收复合体 ——Retromer 复合体的相互作用。在 Retromer 功能受损的突变背景下， LYSET 的高尔基体定位明显受到破坏。换言之， LYSET 不仅需要 “ 锚定 ” 于高尔基体，还依赖于动态的回收机制维持其稳态分布。通过进一步的定点突变分析，研究者在 LYSET 的 C 端鉴定出两段可能参与 Retromer 识别的关键氨基酸序列（ 97–99 与 108–110 位点）。当这些位点发生突变时， LYSET 的高尔基体定位能力显著下降。

基于上述结果，本研究提出了一个精细的结构 – 功能模型：LYSET通过其N端与GOLPH3介导的高尔基体锚定，以及C端与Retromer复合体介导的回收循环，形成一个动态平衡系统，从而实现自身和其相互作用蛋白GNPT在高尔基体区域的稳定驻留。在这一基础上， LYSET 进一步调控 S1P 介导的 GNPT 切割成熟效率，从而保障其在 M6P 途径和溶酶体水解酶识别修饰通路中的关键作用。当 LYSET 缺失时， GNPT 的蛋白定位，稳定性及加工成熟均会受到影响，从而导致溶酶体水解酶异常分泌和溶酶体功能受损。在人类中， LYSET （ TMEM251 ）编码基因的突变会导致溶酶体贮积症 —— 黏脂贮积症 V 型（ mucolipidosis type V ）。

美国密歇根大学李明教授为本文通讯作者。课题组博士后杨曦（已出站，现为美国丹佛大学助理教授）、博士后 Danielle Henn ，博士生 Varsha Venkatarangan ( 已毕业，现为哈佛大学医学院博士后 ) 和华盛顿圣路易斯大学医学院 Balraj Doray 博士为本文的并列第一作者。课题组其他成员对本文亦有贡献 . 目前李明课题组正在招募博士后并欢迎联合培养的博士生，关于实验室的进一步详细信息可见 https://sites.lsa.umich.edu/mlium-lab/ 。有兴趣的同学可联系进行讨论。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt或扫描二维码投递简历

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70402-6

制版人：十一

参考文献

1. Zhang et al. GCAF (TMEM251) regulates lysosome biogenesis by activating the mannose-6-phosphate pathway .Nature communications(2022)

2. Pechincha et al.,Science10.1126/ science.abn 5637 (2022).

3. C. M. Richards et al.,Science10.1126/ science.abn 5648 (2022).

学术合作组织

（*排名不分先后）