靶向治疗罕见病的新希望-离子通道TRPML1

罕见病,顾名思义,是指那些发病率极低的疾病,又被称为“孤儿病”。

                                      靶向治疗罕见病的新希望-离子通道TRPML1

导读

罕见病,顾名思义,是指那些发病率极低的疾病,又被称为“孤儿病”。根据世界卫生组织(WHO)的定义,罕见病为患病人数占总人口的0.65‰~1‰的疾病。现已确认的罕见病有7000余种,约占人类疾病的10%。约80%的罕见病是由遗传缺陷引起的,约有50%的罕见病在出生时或者儿童期即可发病。罕见病常进展迅速,死亡率高,仅有约1%的罕见病有治疗药物。

这些年我们也认识了很多美丽的名字,如:月亮的孩子(白化病)、黏宝宝(黏多糖贮积症)、不食人间烟火的孩子(苯丙酮尿症)、睡美人(克莱恩-莱文综合症) 等等,这些都是属于罕见病的范畴。事实上,我国罕见病患者约有2000万人,每年新增患者超过20万人。千万级的数字,这也从侧面反应出了罕见病并不罕见!

而其中“溶酶体贮积症”就是是70多种罕见病的集合体。每一种溶酶体贮积症的临床表现都很复杂,大多缺乏特异性,诊断相对困难。病人的求医之路也常常漫长且曲折。那么我们对这种病真的束手无策吗?那倒也未必,近日靶向治疗溶酶体贮积症的迎来了新希望!

                                                           什么是溶酶体贮积症LSDs

                                                       (Lysosomal storage diseases)

人体在新陈代谢的过程中会产生不少的“垃圾”,这些在体内不断堆积的“垃圾”需要被降解或者消化成以便人体再度利用或排出体外的小分子,这个过程需要用到溶酶体。溶酶体是细胞自身和胞外的“垃圾回收和处理器”, 它们介导由内吞作用引起的细胞外大分子颗粒的降解和由细胞自噬引起的胞内成分的降解。它们是人体内酸性最强的细胞器,含有60多种水解酶,这些酶就是完成“垃圾分类再处理的工人”。详细的溶酶体工作原理如图1。如果溶酶体中负责处理“垃圾”分类降解工作的60多个水解酶“工人”的某一个或者几个罢工了,那它所负责的“垃圾”就因为不能及时处理而堆积,从而造成LSDs。从这些介绍我们可以看到,溶酶体贮积症不是一种单一的疾病,而是包括近60多种酶缺陷组成的一组疾病。值得注意的是,溶酶体在完成“垃圾回收和再处理”过程时要经过细胞异体吞噬和自噬,在这个胞吞和胞吐的过程中,溶酶体还隐含通过胞吐修复受损细胞膜的功能。

                                                        图1 溶酶体贮积症(图片来源于网络,侵删)

细胞中所有的细胞器都不能脱离系统单独工作,溶酶体充当细胞“垃圾回收和处理器”的运输过程和通过胞吐修复细胞膜的功能都依赖于其钙离子通道瞬时受体电位粘磷脂1(TRPML1,Transient receptor potential mucolipin 1)。

TRPML1 Ca2+通道

TRPML1是通道粘磷脂亚家族的成员,像其他TRP通道一样,TRPML1 具有六个跨膜螺旋 (S1~S6),以及一个由 S5、S6 和 2 个孔螺旋 (PH1和PH2) 组成的孔区域。它是一种释放 Ca2+的阳离子通道,可以介导溶酶体的钙信号传导和稳态,也是转运和自噬相关事件的重要调节因子。如图2所示,TRPML1调控  Ca2+的释放是溶酶体胞吐作用所必需的,TPC通道调节溶酶体pH和膜电位,两者相互作用,参与溶酶体 Ca2+运输。TRPML1将 Ca2+从溶酶体腔转移到细胞质,在许多内溶酶体依赖的细胞过程(如胆固醇积累、脂质转运、胞外转运和自噬)中是必不可少的。TRPML1的突变能够导致溶酶体贮积病黏液脂病 IV (MLIV) 的发生,会造成认知、语言和运动缺陷和视网膜变性等各种症状的发生,因此TRPML1作为治疗溶酶体贮积症的靶点,在临床上表现出巨大的潜能。

                        图2 TRPML1和TPC通道相互作用,参与溶酶体运输2+(图片来源于网络,侵删)

TRPML1靶点对标治疗溶酶体贮积症

TRPML1靶向治疗神经退行性疾病(Neurodegenerative disease)

由于神经元对溶酶体贮积更为敏感,而且神经元是终末分化的细胞,一旦死亡后无法得到有效的补充,因此大部分溶酶体贮积症都出现神经系统退行性病变的症状,这一现象也将溶酶体与神经退行性疾ND(Neurodegenerative disease)病紧密联系起来。如图3所示,ND是大脑和脊髓的细胞神经元丧失的疾病状态。大脑和脊髓的细胞一般是不会再生的,所以过度的损害可能是毁灭性的,不可逆转的。其可以分为急性神经退行性病和慢性神经退行性病,前者主要有中风、脑损伤;后者主要有亨廷顿病(HD)、帕金森病(PD)、阿尔兹海默病(AD)等我国有关AD的病学研究尚不完善,一般65岁以上人群中痴呆病患率约为4%,年发病率为0.6~1.2%,PD的患病率也是主要发生在中年以上人群,65岁以上人群的患病率为2%,仅次于AD。由于脑功能的复杂性,这些疾病的治疗一直是个难题。

                                                        图3神经退行性疾病(图片来源于网络,侵删)

线粒体是细胞的“动力室”和内源性ROS(活性氧)的主要来源。溶酶体的运输过程是由线粒体作为动力来源进行调控的。线粒体受损会导致ROS水平升高和氧化应激,这是大多数溶酶体贮积病、30种常见的神经退行性疾病和衰老的共同特征。越来越多证据表明,溶酶体膜可能是ROS信号的可接近和直接靶点。从生理学和病理学层面上鉴定TRPMLl在介导ROS诱导的自噬中的作用机制,表明TRPMLl激动剂激活TRPMLl功能可能能够清除过量的ROS,从而改善ROS相关的神经退行性疾病。另一方面,TRPMLl在啮齿动物阿尔茨海默病模型中的过表达减少了神经元凋亡,挽救了记忆障碍。2019年11月默克公司以总计5.76亿美元的潜在总价收购了Calporta,主要原因是Calporta开发了TRPML1选择性小分子激动剂ML-SA1(如图4),该激动剂适用于溶酶体贮积病和神经退行性疾病,如阿尔茨海默病和帕金森病。研究人员使用电镜技术解析了TRPML1和 TRPML1-ML-SA1的结构,从分子水平上证明了ML-SA1激活 TRPML1 的机制:ML-SA1可结合到由邻近的PH1、S5、S6中的芳香族和疏水性残基形成的疏水空腔中;由于PH1和PH2的紧密堆积,配体ML-SA1的结合并不会导致TRPML1的选择性过滤器的膨胀显著增加,但能够使其下门有显著的膨胀,因此激活TRPML1通道。这一举动恰好印证了以TRPMLl靶点作为治疗神经退行性疾病是具有潜在的价值的。

                                                          图4 默克公司收购的小分子药物ML-SA1

TRPML1靶向治疗视网膜脱离RD (Retinal detachment)

RD(如图5)是一种眼部急症,由于神经感觉视网膜和底层视网膜色素上皮的分离而导致视力障碍。虽然术后RD的视网膜恢复率接近100%,但由于光感受器细胞死亡,视力恢复较差。中国科技大学眼科中心的董凯团队最近研究利用RD相似的病理生理状态的短暂性全脑缺血(TGCI)模型进行实验,用TRPML1小分子激动剂激活TRPML1可以通过溶酶体自噬诱导减弱神经元死亡。最近眼科领域的研究发现,在实验性RD大鼠模型中,光感受器是ROS产生的主要来源,过量的ROS导致光感受器细胞死亡。因为神经-视网膜变性也与脑部神经性疾病有关,所以上文提到的TRPML1对神经退行性疾病的作用机制同样可以作用于RD,表现为可以通过去除RD中多余的ROS来降低光感受器细胞的氧化应激,从而降低光感受器细胞死率。

                                                             图5 视网膜脱离(图片来源于网络,侵删)

视网膜色素上皮细胞(RPE)的溶酶体特别容易受到溶酶体脂质废物的积累影响,因为它们必须降解每天被邻近光感受器吞噬的外节段,不完全降解导致溶酶体中脂质废物的积累造成抑制TRPML1通道和溶酶体Ca2+的释放来阻断溶酶体的运输。用小分子药物激活RPE细胞中溶酶体TRPML1通道释放Ca2+是否有助于解决RPE细胞中溶酶体脂质的积累仍有待确定。

TRPML1靶向治疗尼曼匹克症C型NPC(Niemann–Pick disease cells)

NPC是一种单基因隐性遗传病,由于患者NPC1或NPC2基因变异造成,最早出现的临床特征往往是神经系统的病变,如运动障碍,语言障碍,智力障碍等。其中最典型的面部特征是眼球垂直运动的障碍,患儿往往也会出现一种难以形容的特征性的面容。后期患儿可能会出现的症状包括肝脾肿大,呼吸系统障碍,共济失调,听力障碍等。研究表明鞘磷脂(SMs)在正常细胞的溶酶体中由鞘磷脂酶(SMase)介导的水解,但在NPC细胞中明显积累。膜片钳实验分析显示,TRPML1通道活性被SMs抑制,但被SMases增强。腔内脂质的异常积累通过阻断TRPML1和Ca2+依赖的溶酶体运输,会导致二次溶酶体贮积症。密歇根大学徐浩新团队在NPC型细胞中,用小分子药物增加TRPML1的表达或活性纠正溶酶体运输缺陷,减少NPC型细胞中溶酶体的储存和胆固醇的积累。

TRPML1靶向治疗杜氏肌营养不良(Duchenne muscular dystrophy)

杜氏肌营养不良(如图6)是一种X染色体隐性遗传疾病,又名为假性肥大型肌肉萎缩症,主要发生于男孩。据统计,全球每3600个新生儿男宝宝中就有一人罹患此病。杜氏肌营养不良症是由负责产生肌营养不良蛋白的蛋白质的基因突变引起。没有肌营养不良蛋白的正常供给会造成肌肉细胞膜受损并抑制肌膜修复,细胞膜受损会使钙离子渗入细胞,引发级联反应,从而造成肌纤维死亡和肌肉萎缩。迄今为止尚未找到该病有效的治疗方法。

                                                      图6 杜氏肌营养不良(图片来源于网络,侵删)

密歇根大学徐浩新团队在Science Advances报道了一种可以激活溶酶体TRPML1通道的小分子药物,肌营养不良的老鼠通过该药物上调了TRPML1通道的功能后,其由于肌营养不良所导致的肌肉组织纤维坏死、肌张力、运动能力、骨骼肌和心肌功能等均得到改善。该研究表明肌肉中TRPML1的上调激活的TRPML1所依赖的转录因子EB(TFEB),从而纠正溶酶体功能不足的问题,促进溶酶体胞吐和肌膜修复,达到改善肌营养不良的目的。

总结

本文综述了报道的是 TRPML1 突变引起的溶酶体贮积病,导致认知,运动缺陷以及视网膜变性等疾病。虽然目前还没有关于TRPML1靶点治疗溶酶体贮积症的药物在临床上取得很好的成绩,但是根据其目前在各方面的研究进展来看,其作为靶向治疗溶酶体贮积症的新靶点具有巨大的潜能。

 

                                                                              

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