Nature子刊改變游戲規則：一種以前未知的細胞途徑
摘要：斯坦福大學的研究人員定義了一種新的細胞途徑——包括一個“傾倒點”——用于清除細胞中錯誤折疊的蛋白質。該通路是治療老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈癥和帕金森病等與年齡相關疾病的潛在靶點。
錯誤折疊的蛋白質對細胞是有毒的。它們會破壞正常功能，導致一些與年齡有關的人類退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥、帕金森病和亨廷頓氏病。研究表明細胞不斷地消除錯誤折疊的蛋白質，但這些清除機制仍然知之甚少。
在4月20日發表在《自然細胞生物學》上的一項新研究中，斯坦福大學的研究人員發現了一種以前未知的細胞途徑，可以清除細胞核中錯誤折疊的蛋白質，細胞核是細胞儲存、轉錄和復制DNA的地方。讓垃圾遠離這些過程對正常的細胞功能至關重要。這種新途徑可能成為與年齡有關的疾病治療的目標。
圖1 研究人員發現了一種以前未知的細胞途徑，可以清除細胞核中錯誤折疊的蛋白質
為了找到新的途徑，Judith Frydman實驗室的研究人員整合了幾種遺傳，成像和生化方法來了解酵母細胞如何處理錯誤折疊的蛋白質。在實驗中，研究小組將錯誤折疊的蛋白質限制在細胞核或細胞質的區域。研究小組通過活細胞成像和超分辨率顯微鏡，從視覺上跟蹤了錯誤折疊蛋白質的命運。
該論文的聯合主要作者Emily Sontag說。“第一件令人興奮的事情是，我們實際上發現了細胞核和細胞質之間的交流，它們告訴對方，‘我們都有很多錯誤折疊的蛋白質;讓我們協調一下，把它們送到這個垃圾場，這樣它們就可以被清除了‘。”
研究小組確定了“垃圾場”位置是細胞核和液泡(一種充滿降解蛋白質酶的細胞器)的交叉點，并表明在這個“垃圾場”位置錯誤折疊的蛋白質被移動到液泡內部進行降解。他們還表明，這一途徑依賴于一類蛋白質，這些蛋白質用于制造用于在細胞周圍運輸分子的小泡。
Sontag說:“把這個特殊的蛋白質家族和小泡交通生物學與蛋白質清除聯系起來，給我們提供了一種新的方法來研究阿爾茨海默氏癥、帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥等所有這些神經退行性疾病。”
圖2 在不同類型的壓力和不同的客戶端蛋白質之間發生的空間隔離
細胞核和細胞質共用“垃圾場”
細胞可以通過兩種方式處理錯誤折疊的蛋白質：重新折疊或清除它們。第三種選擇是將它們存儲在特定的細胞位置。
“當細胞決定是否重新折疊或降解蛋白質時，它會將它們隔離到這些無膜的包涵體（inclusions，生物通注）中，”包涵體是發生在細胞質和細胞核中的錯誤折疊的蛋白質簇。
研究小組發現，細胞機制在細胞核和細胞質內的不同位置形成小的錯誤折疊的蛋白質包涵體，就像微小的垃圾場一樣，然后向細胞核和液泡之間的邊界遷移，這是一個更大的垃圾場。最終，細胞核和細胞質錯誤折疊的蛋白質包涵體相互排列，核膜將它們分開。
Sontag說:“細胞核和細胞質之間的來回交流是我們完全沒有想到的，知道這兩個隔間可以一起工作，清除任何地方的垃圾，真的很棒。”
“這表明細胞核中錯誤折疊蛋白質的管理和細胞質中錯誤折疊蛋白質的管理是不同的，但是協調的，”Frydman說。“真正酷的是，每個隔室將錯誤折疊的蛋白質移動到核膜與液泡膜相遇的地方。”
圖3 阻斷核質轉運對Ubc9Ts清除的影響
從垃圾場到降解——一條新的途徑
酵母中的液泡相當于哺乳動物細胞中的溶酶體。它是一種膜結合的細胞器，充滿了分解蛋白質的酶，是細胞的回收中心。
文章一作Fabián Morales-Polanco說，“這不是隨機的，細胞把包涵體帶到同一個地方是有原因的。”
研究小組懷疑其原因是將包涵體送到液泡中降解，但這引發了進一步的問題。細胞質包涵體很容易通過自噬進入液泡——細胞通過自噬將物質從細胞質中拉入液泡或溶酶體。但在細胞核中，包涵體被核膜與液泡隔開。
“即使它們來到同一個地方，它們也不會從同一扇門進入液泡。”
為了研究受損蛋白質進入液泡的途徑，研究小組阻斷了蛋白酶體——另一種主要的蛋白質清除機制——并監測剩余的蛋白質清除活性。他們還使用低溫軟x射線斷層掃描和熒光顯微鏡數據創建了含有這些錯誤折疊蛋白質包涵體的細胞的3D圖像。
他們發現細胞質包涵體確實像預期的那樣進入液泡。但核包裹體的路徑令人驚訝。核包涵體直接從細胞核出芽，進入兩膜交界處的液泡中。通過一系列的基因實驗，研究小組發現ESCRT II/III和Vps4蛋白促進了這種進入液泡的作用。眾所周知，這些蛋白質會導致膜彎曲和“發芽”，或在其他過程中形成新的囊泡，但尚未研究它們是否有助于清除受損蛋白質的細胞核。它們可能是錯誤折疊蛋白疾病的有吸引力的治療靶點。
最后，利用pH值敏感的標簽，研究小組實際跟蹤了進入液泡的包涵體。
“我們能夠看到這些錯誤折疊的蛋白質進入液泡，并表明這確實是一條新的途徑，”Morales-Polanco說。
關注衰老
該團隊在酵母細胞中進行了這些實驗，酵母細胞易于生長且繁殖迅速。下一步是研究是否在哺乳動物細胞中使用相同的途徑來清除人類疾病相關蛋白。
下一步是確定細胞核和細胞質之間的交流是如何沿著這條途徑進行的，還有一個是觀察這條途徑是如何受到衰老的影響的。
“有很多證據表明，這種處理錯誤折疊蛋白質的過程隨著年齡的增長而減慢，因此，隨著時間的推移，衰老的細胞無法快速有效地清除所有垃圾，錯誤折疊的蛋白質在細胞內堆積得越來越多。”
“我們發現細胞核和細胞質質量控制途徑通過核膜進行交流，核膜是一種因衰老和神經退行性疾病而受損的結構，許多早衰癥突變體會導致早衰，扭曲核膜。這項工作確實是一個改變游戲規則的人，它最終帶來了一種新的方式來理解并因此治愈影響日益老齡化人口的各種可怕疾病。”
參考資料：
[1] Nuclear and cytoplasmic spatial protein quality control is coordinated by nuclear–vacuolar junctions and perinuclear ESCRT
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