溶酶体贮积症 (LSD) 是一组 50 多种遗传性疾病，每种疾病都是由细胞垃圾处理系统的缺陷引起的。溶酶体是负责分解脂肪、糖和蛋白质的细胞器，它无法清除某些分子，这些分子会累积到有毒水平。大多数LSD都会影响大脑，但每种基因缺陷如何导致神经元功能障碍一直很难研究：每种突变都很罕见，并且为每个突变生成模型都需要耗时的基因工程。
哈佛医学院 J. Wade Harper 领导的团队消除了这一瓶颈。研究人员建立了一个由 23 个人类胚胎干细胞系组成的文库，每个细胞系都具有不同 LSD 基因的纯合敲除，研究人员将它们分化为皮质样神经元和多巴胺能样神经元，并分析了它们的蛋白质组（每系大约 10,000 个蛋白质），以绘制每个缺陷的下游后果。该作品于 7 月 1 日发表在 PNAS 上。
“这是一个强大的社区资源，”该研究的共同第一作者菲利克斯·克劳斯（Felix Kraus）说。 “我们第一次可以在同一实验系统中直接比较许多不同溶酶体缺陷的分子后果。”
系统化方法
研究中针对的 23 个基因包括最常见的鞘脂沉积症 — GBA1（戈谢病）、ASAH1（法伯病）、HEXA（Tay-Sachs）、SMPD1（尼曼-匹克 A 型和 B 型） — 以及负责神经元蜡质脂褐质沉积症（Batten 病家族）的 12 个基因，以及其他基因，包括 NPC1、NPC2 和MCOLN1（粘脂沉积症 IV 型）。所有这些都是在相同的 H9 胚胎干细胞背景下创建的，具有可诱导的基因开关，可快速转化为神经元。
该团队使用了两种分化方案：一种产生皮质样神经元（iN 细胞），另一种产生中脑多巴胺能样神经元（iDA 细胞）。后者尤其重要，因为导致戈谢病的基因 GBA1 的突变是帕金森病已知最强的遗传风险因素，帕金森病选择性地杀死多巴胺能神经元。
研究人员使用高分辨率质谱法，在多个时间点（分化第 30 天、50 天和 70 天）对每个细胞系大约 10,000 个蛋白质进行了定量，并开发了计算方法来识别哪些蛋白质复合物被破坏。
特定于细胞类型的漏洞
最引人注目的发现是，相同的基因敲除在皮质神经元和多巴胺能神经元中产生根本不同的分子效应。例如，GBA1 缺乏会导致多巴胺能神经元出现严重的线粒体 OXPHOS（氧化磷酸化）缺陷：线粒体复合物 I 的蛋白质大幅下调，并且该效应在整个呼吸链中协调一致。在皮质神经元中，相同的突变仅产生微小的线粒体变化。
“这是分子水平上的细胞类型特异性，”哈珀说。 “这解释了为什么不同的 LSD 有不同的神经学表现，即使潜在的生物化学看起来相似。”
ASAH1 敲除显示出特别显着的细胞类型差异。在多巴胺能神经元中，ASAH1 的缺失导致突触蛋白之间出现负相关——本质上，突触正在崩溃。在皮质神经元中，相同的蛋白质呈正相关。使用钙成像的功能验证证实，ASAH1 缺陷的多巴胺能神经元的放电明显少于对照组，而皮质神经元仅受到轻微影响。电子显微镜显示突触前结构紊乱，大小不均匀的囊泡较少。
收敛路径
在 23 次基因敲除中，线粒体和突触蛋白是受影响最一致的区室。这种趋同表明，不同的溶酶体缺陷——尽管它们的分子底物不同——可能通过一个共同的途径损害神经元：溶酶体功能障碍导致线粒体损伤，进而破坏突触功能和能量代谢。
该研究还确定了一种特定的蛋白质复合物推理管道，可以检测每个突变体中哪些多蛋白质组装体不稳定。被破坏的复合物包括线粒体复合物 I（在 GBA1 缺陷神经元中）、BLOC-1 复合物（在 MCOLN1 缺陷神经元中）和谷氨酸受体复合物（在 GBA1 和 MCOLN1 突变体中）。
有几个注意事项适用。这些细胞是诱导神经元——它们概括了皮质和多巴胺能神经元的关键特征，但缺乏脑组织的完全成熟、网络复杂性和神经胶质支持。这 23 个基因仅代表 50 多个已知 LSD 的一个子集；粘多糖沉积症和糖蛋白沉积症尚未包括在内。基因敲除是完全的基因缺失，而大多数人类患者携带部分功能丧失的突变。
尽管如此，该工具包及其随附的蛋白质组数据（存放在 MASSIVE 存储库中（登录号 MSV000099237））是公开可用的，并且该方法可以扩展到其他基因和细胞类型。该研究由帕金森病协调科学倡议、美国国立卫生研究院和沃伦阿尔珀特基金会资助。
婷 翻译
Source: Kraus, F., He, Y., Jiang, Y. et al. “Lysosomal storage disorder toolkit for decoding proteome landscapes in cortical-like and dopaminergic-like induced neurons.” PNAS 123(27), e2609132123 (2026). DOI: 10.1073/pnas.2609132123