一种PIKfyve调节剂联合整合应激反应抑制剂治疗溶酶体贮积症

A PIKfyve modulator combined with an integrated stress response inhibitor to treat lysosomal storage diseases

作者信息William C Hou, Lynée A Massey, Derek Rhoades, Yin Wu, Wen Ren, Chiara Frank, Herman S Overkleeft, Jeffrey W Kelly
PMID39150784
发布时间2024-08
DOI10.1073/pnas.2320257121

实验完整度

高

包含多种独立证据:高通量筛选鉴定化合物、细胞模型(患者成纤维细胞、HeLa、U251)、分子机制验证(PIKfyve结合、TFEB/TFE3核转位、EndoH/ABPP实验)、转录组分析及药物联用研究。

主要模型

患者来源的戈谢病成纤维细胞(L444P/L444P、N370S/84GG) HeLa细胞 U251细胞 其他LSD患者成纤维细胞(Fabry、Pompe、MPS IV、α-甘露糖苷贮积症)

重点核对

化合物处理浓度:A16(500 nM)、A18(1 µM)、Apilimod(50 nM)、ISRIB(剂量未知) 处理时间:通常为72小时 细胞类型:患者成纤维细胞(L444P/L444P、N370S/84GG等)、HeLa、U251 DMSO终浓度:0.1%或0.2% 对照:DMSO处理组、非靶向shRNA对照

摘要

溶酶体降解途径协调清除多余和受损的细胞成分。溶酶体降解功能受损是许多退行性疾病的标志,包括由溶酶体水解酶双等位基因功能缺失突变引起的溶酶体贮积症(LSDs),导致溶酶体底物积累。戈谢病以葡萄糖脑苷脂酶功能低于正常水平的15%为特征,是最常见的LSD,并且是发展为帕金森病的重要危险因素。在这里,我们展示了在高通量细胞脂滴清除筛选中鉴定的两种结构不同的小分子PIKfyve活性调节剂,可以通过一种促进溶酶体基因翻译的MiT/TFE转录因子改善戈谢病患者来源成纤维细胞中的葡萄糖脑苷脂酶功能。一种整合应激反应(ISR)拮抗剂与PIKfyve调节剂联合使用可进一步提高细胞葡萄糖脑苷脂酶活性,这可能是因为ISR信号在较高剂量下似乎也被任一化合物轻微激活。这种将PIKfyve调节剂与ISR抑制剂相结合的策略在其他LSD的细胞模型中改善了突变溶酶体水解酶的功能。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
能否通过调节PIKfyve活性并联合ISR抑制来改善突变溶酶体水解酶功能,从而治疗多种溶酶体贮积症?
核心机制
PIKfyve调节剂通过促进MiT/TFE转录因子(特别是TFE3)的核转位,激活CLEAR通路,增加溶酶体基因转录和突变酶合成;增加的突变酶在ER中折叠困难,部分激活UPR和ISR,ISR抑制剂(ISRIB)可缓解翻译衰减,进一步增强突变酶活性。
主要证据
在多种LSD患者成纤维细胞中,A16/A18等PIKfyve调节剂可提高突变酶活性(4-MUG等底物检测、ABPP探针),增加GBA1 mRNA和EndoH抗性GCase,PIKfyve敲低可减弱A16效果;与ISRIB联用进一步提高活性(如L444P成纤维细胞中最高2.6倍),且ISRIB不增加GBA1转录。
研究意义
提出一种组合策略(PIKfyve调节剂+ISR抑制剂)有望用于多种LSD的治疗,且相关药物(如Apilimod和ISRIB类似物)已在临床试验中证明安全性,具有药物重定位潜力。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

高通量筛选与初筛

从脂滴清除筛选库中鉴定能够改善GCase活性的化合物

利用高通量细胞脂滴清除筛选获得24个候选,通过荧光底物4-MUG裂解细胞法检测GCase活性,鉴定出A16和A18。

2

验证对患者成纤维细胞GCase功能的影响

确认A16/A18能否改善戈谢病患者突变GCase活性

处理L444P/L444P和N370S/84GG成纤维细胞,检测GCase活性、mRNA水平、折叠与运输(EndoH处理、ABPP探针)。

3

识别靶标PIKfyve

确定A16/A18的作用靶点是否为PIKfyve

使用DiscoveRX KINOMEScan检测化合物与PIKfyve的结合,用已知抑制剂Apilimod和YM201636处理细胞验证效果,并用shRNA敲低PIKfyve观察对GCase活性的影响。

4

药物化学优化

提高A18的效力和效果

合成A18类似物(LM-2-34、LM-2-27A等),检测GCase活性和PIKfyve结合。

5

联合ISR抑制剂

评估ISR抑制剂(ISRIB)与PIKfyve调节剂联合使用的效果

用ISRIB单独或与A16/A18/Apilimod等联合处理,检测GCase活性、ABPP标记、qPCR,并利用ATF4-luciferase报告基因验证ISR激活。

6

扩展到其他LSD

验证该策略对其他LSD突变酶的效果

在Fabry、Pompe、MPS IV、α-甘露糖苷贮积症成纤维细胞中检测相关水解酶活性。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Acros OrganicsAcros Organics--
Cambridge Isotope Laboratories----
Agilent 1260 Infinity II液相色谱系统Agilent--
Agilent ZORBAX RRHT StableBond C18色谱柱Agilent--
MilliporeSigma Supelco硅胶60MilliporeSigma--
CombiFlash NextGen 300+----
Bruker Avance III HD 600 MHz核磁共振波谱仪Bruker--
Waters Xevo G2-XS TOFWaters--
DMEM培养基(Gibco)Gibco--
胎牛血清----
GlutaMAX(Gibco)Gibco--
青霉素-链霉素(Gibco)Gibco--
非必需氨基酸(Gibco)Gibco--
Lenti-X浓缩器(Takara)Takara--
qPCR慢病毒滴定试剂盒(Applied Biological Materials)Applied Biological Materials--
嘌呤霉素----
多聚-L-赖氨酸(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
Triton-X 100----
驴血清(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
无IgG牛血清白蛋白(Jackson Immuno Research)Jackson Immuno Research--
AlexaFluor 546二抗----
DAPI(Life Technologies)Life Technologies--
ProLong Diamond抗淬灭封片剂(Life Technologies)Life Technologies--
Zeiss LSM 780共聚焦激光扫描显微镜Zeiss--
Nikon Confocal A1显微镜Nikon--
Olympus CKX53显微镜Olympus--
cOmplete Lysis-M裂解液(Roche)Roche--
CBE(MedChem Express)MedChem Express--
4-MUG底物(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
牛磺脱氧胆酸钠(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
Lalistat2(MedChem Express)MedChem Express--
心磷脂(Avanti Polar Lipids)Avanti Polar Lipids--
4-MUP底物(Cayman Chemical)Cayman Chemical--
N-乙酰-D-半乳糖胺(Biosynth)Biosynth--
4-MUGal底物(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
阿卡波糖(Biosynth)Biosynth--
4-MUaGlu底物(Biosynth)Biosynth--
4-MUaMan底物(Sigma-Aldrich)Sigma-Aldrich--
4-MUbGal底物(Biosynth)Biosynth--
Hoechst染料(Invitrogen)Invitrogen--
SYTOX Orange染料(Invitrogen)Invitrogen--
CellTiter-Glo试剂盒(Promega)Promega--
Direct-zol RNA微量提取试剂盒(Zymo)Zymo--
ProtoScript II逆转录酶(NEB)NEB--
Power SYBR Green PCR预混液(ThermoFisher)ThermoFisher--
BGI自有平台BGI--
EW644探针----
ChemiDoc MP成像系统(BioRad)BioRad--
GelCode Blue染色剂----
PVDF膜----
EndoH糖苷内切酶(NEB)NEB--
PNGaseF糖苷酶(NEB)NEB--
LI-COR平板成像仪LI-COR--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞培养
细胞系来源、培养基成分(如DMEM、FBS、GlutaMAX等)、培养条件(如CO2、温度)
阅读提示:Materials and Methods: Cell Culture
化合物处理
处理浓度(A16 500 nM、A18 1 µM、Apilimod 50 nM、ISRIB浓度)、处理时间(72小时)、溶剂对照DMSO终浓度
阅读提示:Results及Figure legends(图2、图5)
GCase活性检测
底物(4-MUG)、缓冲液组成、反应时间、裂解方法(cOmplete Lysis-M)、荧光读取波长
阅读提示:Materials and Methods: Cell Assays
蛋白质折叠与活性分析
EndoH和PNGaseF处理条件、ABP探针(EW644)浓度(10 nM)和处理时间(2小时)、SDS-PAGE和Western blot条件
阅读提示:Materials and Methods: GCase Activity-Based Probe and Glycosidase Studies
基因表达分析
RNA提取方法、逆转录和qPCR条件、RNA-seq平台(BGI)、比对和差异表达分析软件(DNAstar、DESeq2)
阅读提示:Materials and Methods: RNA Extraction, RT-PCR, qPCR, and RNAseq