[研究成果] 2020/09/23

細胞內溶酶體膜蛋白的醣基化與腸道及胰臟病變有大關聯?

生物醫學研究所博士後研究員Janaki Sudhakar和研究助理呂學翰在徐志文助研究員的帶領下,在知名國際期刊Nature Communications 以小鼠動物模式深入探討這個問題。他們以細胞及免疫學的角度闡述了胞內溶酶體膜蛋白的醣基化與發炎疾病有病理關係。

 

凝集素(Lectins) 為可辨認特定的醣基的糖結合蛋白. 其中, 半乳糖凝集素(Galectins) 可透過糖類識別區域(CRD)來辨認 beta 半乳糖苷 (b-galactosides) 並作結合. 半乳糖凝集素在演化上被高度保存下來並在調控細胞功能及人類健康上扮演重要角色

 

半乳糖凝集素可分泌到細胞外, 並被認為其可透過調控細胞膜上蛋白質的交互作用來調節細胞功能. 細胞內的半乳糖凝集素大都集中在細胞質 (cytosol), 但在細胞穩定狀態(steady-state)下, 細胞質內很少有複雜的醣基可供半乳糖凝集素結合.  相對的, 過去很多研究指出, 當胞器受損時,例如溶酶體 (lysosomes), 細胞質中的半乳糖凝集素可以很靈敏的偵測並移動到受損的溶酶體外膜上, 與因受損而從膜內腔翻露出的溶酶體膜蛋白上的醣基作結合.  然而, 一個明顯的問題是, 在細胞穩定狀態下, 既然大多數複雜的醣基都在溶酶體內腔, 半乳糖凝集素難道就不會存在於溶酶體內腔, 而可直接與溶酶體膜蛋白上的醣基作結合嗎?  如果是, 那另一個問題是, 在細胞穩定狀態下這樣的半乳糖凝集素-醣基結合是否會影響溶酶體的功能?  

 

與半乳糖凝集素-9 (Galectin-9) 作結合的醣基都是連接于蛋白質上的天冬醯胺 (Asn). 先前在一對抗結核分枝桿菌 (Mycobacterium tuberculosis) 的全基因組篩選研究中發現, 半乳糖凝集素-9是一個與細胞的自噬功能(autophagy)有關的蛋白.並且對結核分枝桿菌有抑制功能, 這也間接突顯出為何半乳糖凝集素-9是小腸發炎性克隆氏症 (Crohns disease) 的風險因子. 然而, 半乳糖凝集素-9如何調控發炎仍然不清楚.

 

利用基因剔除(gene-knockout)的腸道表皮細胞及小鼠, 我們首度發現, 在細胞穩定狀態下, 半乳糖凝集素-9的確高度表現在溶酶體內腔中, 而且主要與溶酶體膜蛋白Lamp2 上的天冬醯胺的醣基作結合.

 

在細胞層次上, 我們發現半乳糖凝集素-9與溶酶體膜蛋白Lamp2 上的醣基結合可穩定並增強溶酶體的結構, 同時也促進細胞的自噬功能, 藉此保護細胞, 免予因內質網壓力(ER stress)造成的溶酶體膜的不穩定(LMP, lysosomal membrane permeabilization) 甚至細胞凋亡 (apoptosis). 我們發現這特定的結合, 對於自噬功能活躍的分泌細胞, 特別重要, 由其是小腸的表皮潘氏細胞 (Paneth cells)及胰臟的腺泡細胞 (acinar cells).

 

在分子層次上, 我們發現在腸道表皮細胞內的溶酶體, 與半乳糖凝集素-9 結合的主要溶酶體膜蛋白是M6PR 和 Lamp2. 我們進一步發現半乳糖凝集素-9與Lamp2 的結合可促進溶酶體的成熟及其所調控的細胞自噬功能. 我們也解出, 在細胞穩定狀態下, 半乳糖凝集素-9 與 Lamp2 上位於蛋白質序列 175 的天冬醯胺 (Asn)上的醣基結合是調控細胞自噬功能的關鍵點. 最後, 我們也證明半乳糖凝集素-9 的確透過與多醣鏈上的醣基作結合來調控溶酶體的功能.

 

在動物層次上, 我們首度發現半乳糖凝集素-9 的主要調控細胞是小腸的表皮潘氏細胞及胰臟的腺泡細胞. 二者都屬於自噬功能活躍的分泌細胞. 利用小腸潘氏細胞的條件式基因剔除小鼠, 我們證明半乳糖凝集素-9 在潘氏細胞的單一缺失, 會提高小鼠在腸道發炎動物模式下的發炎機率及嚴重度.  另外, 小鼠半乳糖凝集素-9 缺失則會導致自發性胰臟發炎及纖維化.  因此, 動物實驗顯示, 溶酶體功能失常或半乳糖凝集素-9 缺失, 會導致一種共通的或內源性的細胞自噬功能喪失, 而導致多器官的病變.

 

因此, 半乳糖凝集素-9所調控的自噬功能保護了功能活躍的分泌細胞, 減緩內質網壓力的堆積, 避免細胞死亡, 或組織發炎受損.  我們的研究不僅揭示半乳糖凝集素-9是如何調控小腸的潘氏細胞, 釐清為何半乳糖凝集素-9是克隆氏症的風險因子, 也指出為何發炎性腸道疾病與腸道外症狀(EIM, extraintestinal manifestations), 例如胰臟發炎, 在病理上是相關聯的.


論文網址 (Nature Communications)