Science丨徐浩新团队发现溶酶体钙转运蛋白|atp|徐浩|溶酶体|细胞器|蛋白|阳离子

撰文丨酶美

数十年来，细胞生物学研究人员一直在与细胞器生理学中的一个基本谜题作斗争。溶酶体在其单一界膜两侧维持着巨大的、约5,000倍的钙Ca2+梯度，将腔内浓度保持在约0.4-0.6 mM，相对于仅约100nM的静息胞质基线。这种局部Ca2+储存对于驱动重要生理过程不可或缺，包括溶酶体胞吐、转录生物发生、质膜修复和自噬。

虽然控制溶酶体Ca2+释放的外排通路已被精细绘制——由驻留离子通道如瞬时受体电位黏脂蛋白1（TRPML1）和双孔通道（TPC1和TPC2）驱动——但负责主动输入Ca2+以再填充这些酸性储存的分子机器仍是一个难以捉摸的谜。早期对分离溶酶体的生理学研究指向一种低亲和力摄取通路Km~5mM，然而其分子身份数代人都未能被发现。

2026年11月13日，Science发表了浙江大学徐浩新团队的研究：TMEM184 proteins are Ca2+ uptake transporters in lysosomes。研究团队鉴定出TMEM184家族蛋白（具体为TMEM184B和TMEM184C）是长期寻找的溶酶体钙转运蛋白，被称为“LyCaTs”。

对64个孤儿蛋白的靶向筛选解开了谜团

为了揭示难以捉摸的摄取通道，研究人员系统评估了64个孤儿溶酶体膜蛋白（OLMPs），这些蛋白携带预测的通道样或转运蛋白样结构域。使用基于GCaMP的近溶酶体Ca2+成像筛选，在工程敲除细胞系中，他们监测了初始（naive）和第二次（再填充）溶酶体Ca2+释放（LCR）事件。

无偏筛选产生了明确命中：在HAP1细胞中敲除TMEM184B导致初始和再填充LCR均降低>90%。使用三种荧光特性不同的腔内探针（Oregon Green 488-BAPTA-1 -dextran）、基于DNA的ratiometric报告器Lyso-Pr-Ca和蛋白质工程传感器LyCaR直接定量测量溶酶体腔内Ca2+浓度，确认TMEM184B/C缺失将腔内储存从约200-300μM的基线水平耗竭至仅约20-30μM。先前提出的候选蛋白—如P5B型ATP酶ATP13A2和推定阳离子交换器TMEM165—在相同功能筛选条件下对LCR表现出可忽略的影响。研究确立TMEM184B/C为数十年前首次描述的低亲和力溶酶体Ca2+摄取通路的分子身份。

这一功能鉴定还揭示了TMEM184B/C基因冗余与细胞类型特异性的关联。在TMEM184B表达占主导的细胞类型中，如HAP1和COS-1细胞，单敲除TMEM184B足以触发严重储存耗竭。相反，像HeLa这样的细胞表达相对更高水平的TMEM184C，需要TMEM184B/C双敲除或双敲低才能揭示储存再填充缺陷。这揭示了为什么传统基于候选物的方法反复停滞，证明了跨多样细胞谱系的系统功能基因组学的力量。

Ca2+转运在没有ATP水解或质子梯度的情况下发生

支配TMEM184B/C介导摄取的生化机制颠覆了细胞器运输动力学的既定惯例。在内质网（ER）中，陡峭的Ca2+梯度由消耗Mg-ATP的主动SERCA泵建立。相反，内溶酶体中的经典次级主动转运蛋白通常利用由液泡型H+-ATP酶（V-ATPase）维持的质子动力势（H+梯度）。

TMEM184B/C完全独立于Mg-ATP和腔内H+梯度运作。相反，TMEM184B/C直接在内质网-溶酶体膜接触位点（MCSs）发挥功能，在那里超过80%的溶酶体物理上紧邻内质网管。尽管TMEM184B/C表现出内在低转运亲和力，但它们高效运作，因为来自内质网驻留IP3-R或RyR通道的局部Ca2+释放在溶酶体界膜邻近处产生升高的胞质Ca2+的强烈微域。这种局部高浓度克服了低结合亲和力，驱动胞质到腔内的通量而无需直接代谢能量消耗。

重组蛋白脂质体和电生理分析定义了TMEM184B/C严格的生物物理特征：转运二价阳离子Ca2+、Ba2+、、Sr2+有高度选择性。对单价阳离子和阴离子严格限制。对质子不可渗透：不转运H+不破坏溶酶体酸化。

一种智能负反馈机制防止钙超载

一种低亲和力、能量非依赖性的转运蛋白如何在胞质浓度下降时不泄漏离子，或在驱动毒性过度积累的情况下再填充耗竭的储存？通过对分离的溶酶体囊泡和纯化重组蛋白脂质体进行固相支撑膜电生理（SSME），研究人员揭示了一个优雅的自我调节开关：腔内Ca2+直接作为转运蛋白的负反馈抑制剂。

为了严格地将跨膜浓度梯度与腔内离子调节解耦，作者用Ba2+替代胞质Ca2+作为替代电荷载体。在固定胞质Ba2+内流梯度（150μM）下，将腔内Ca2+升高至500μM几乎完全抑制了瞬态外向SSME电流。相反，将腔内Ca2+设为0μM显著增强了内流。

这种反馈机制提供了精细的细胞器控制：当溶酶体完全装载时，高腔内Ca2+将TMEM184B/C锁定在失活状态。在溶酶体钙释放（LCR）事件之后，腔内Ca2+的突然下降解除这种抑制，立即激活TMEM184B/C，从邻近内质网接触位点采集微域Ca2+，直到基线储存水平重新建立。

耗竭溶酶体Ca2+储存会削弱关键细胞修复和管家功能

因为局部微域Ca2+触发下游信号级联，失去TMEM184再填充通道会使细胞器缺乏其腔内储存的有效载荷。结果，TMEM184B/C缺陷在功能上表型模拟主要释放通道TRPML1的缺失，削弱必要基本细胞功能和结构修复通路。由TMEM184B/C缺失导致的系统性生理崩溃跨越多个细胞领域，包括溶酶体生成，溶酶体胞吐，膜修复及溶酶体形态和动态变化。

病理性突变直接将LyCaTs与神经发育和运动缺陷联系起来

LyCaTs的生理意义超越单细胞模型，进入生物体神经生物学和临床遗传学。在动物模型中，Tmem184b敲除小鼠表现出严重运动表现缺陷，证明持续溶酶体储存再填充对系统性神经肌肉协调是必需的。

在人类临床遗传学中，TMEM184B中的致病性点突变——编码K184E错义替换——最近在患有严重神经发育障碍的患者中被发现。功能性SSME和成像测定确认，K184E变体严重损害Ca2+转运活性，未能在敲除细胞中挽救腔内储存内容或LCR。

此外，TMEM184B/C缺失触发模拟溶酶体贮积症（LSDs）的复杂继发性细胞器病理。TMEM184B缺陷细胞表现出LAMP1表达代偿性上调（溶酶体应激的经典标志）、由细胞器质量控制受损导致的线粒体活性氧（ROS）水平升高，以及对氧化和渗透应激的显著超敏。

完成溶酶体信号传导框架

TMEM184B/C作为主要溶酶体钙摄取转运蛋白的发现，完成了溶酶体Ca2+结构缺失的一半。通过将低亲和力、负反馈调节的摄取通道与高亲和力释放通道如TRPML1和TPC2配对，细胞维持着一个精细平衡的细胞器信号中心。