摘要：斯坦福大學(xué)的研究人員定義了一種新的細(xì)胞途徑——包括一個(gè)“傾倒點(diǎn)"——用于清除細(xì)胞中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),。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(guān)疾病的潛在靶點(diǎn),。
錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)對(duì)細(xì)胞是有毒的,。它們會(huì)破壞正常功能，導(dǎo)致一些與年齡有關(guān)的人類(lèi)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(xì)胞不斷地消除錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),，但這些清除機(jī)制仍然知之甚少,。
在4月20日發(fā)表在《自然細(xì)胞生物學(xué)》上的一項(xiàng)新研究中，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的細(xì)胞途徑,，可以清除細(xì)胞核中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),，細(xì)胞核是細(xì)胞儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)錄和復(fù)制DNA的地方,。讓垃圾遠(yuǎn)離這些過(guò)程對(duì)正常的細(xì)胞功能至關(guān)重要,。這種新途徑可能成為與年齡有關(guān)的疾病治療的目標(biāo)。
圖1 研究人員發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的細(xì)胞途徑,，可以清除細(xì)胞核中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)
為了找到新的途徑,，Judith Frydman實(shí)驗(yàn)室的研究人員整合了幾種遺傳，成像和生化方法來(lái)了解酵母細(xì)胞如何處理錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),。在實(shí)驗(yàn)中,，研究小組將錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)限制在細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)的區(qū)域。研究小組通過(guò)活細(xì)胞成像和超分辨率顯微鏡,，從視覺(jué)上跟蹤了錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的命運(yùn),。
該論文的聯(lián)合主要作者Emily Sontag說(shuō)?！暗谝患钊伺d奮的事情是,，我們實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的交流，它們告訴對(duì)方，‘我們都有很多錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì);讓我們協(xié)調(diào)一下,，把它們送到這個(gè)垃圾場(chǎng),，這樣它們就可以被清除了‘。"
研究小組確定了“垃圾場(chǎng)"位置是細(xì)胞核和液泡(一種充滿(mǎn)降解蛋白質(zhì)酶的細(xì)胞器)的交叉點(diǎn),，并表明在這個(gè)“垃圾場(chǎng)"位置錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)被移動(dòng)到液泡內(nèi)部進(jìn)行降解,。他們還表明，這一途徑依賴(lài)于一類(lèi)蛋白質(zhì),，這些蛋白質(zhì)用于制造用于在細(xì)胞周?chē)\(yùn)輸分子的小泡,。
Sontag說(shuō):“把這個(gè)特殊的蛋白質(zhì)家族和小泡交通生物學(xué)與蛋白質(zhì)清除聯(lián)系起來(lái)，給我們提供了一種新的方法來(lái)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(jīng)退行性疾病。"
圖2 在不同類(lèi)型的壓力和不同的客戶(hù)端蛋白質(zhì)之間發(fā)生的空間隔離
細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)共用“垃圾場(chǎng)"
細(xì)胞可以通過(guò)兩種方式處理錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)：重新折疊或清除它們,。第三種選擇是將它們存儲(chǔ)在特定的細(xì)胞位置,。
“當(dāng)細(xì)胞決定是否重新折疊或降解蛋白質(zhì)時(shí)，它會(huì)將它們隔離到這些無(wú)膜的包涵體（inclusions,，生物通注）中,，"包涵體是發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中的錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)簇。
研究小組發(fā)現(xiàn),，細(xì)胞機(jī)制在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的不同位置形成小的錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)包涵體,，就像微小的垃圾場(chǎng)一樣，然后向細(xì)胞核和液泡之間的邊界遷移,，這是一個(gè)更大的垃圾場(chǎng),。最終，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)包涵體相互排列,，核膜將它們分開(kāi),。
Sontag說(shuō):“細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的來(lái)回交流是我們
完(空)全沒(méi)有想到的，知道這兩個(gè)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(xì)胞核中錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的管理和細(xì)胞質(zhì)中錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的管理是不同的,，但是協(xié)調(diào)的，"Frydman說(shuō),?！罢嬲岬氖牵總€(gè)隔室將錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)移動(dòng)到核膜與液泡膜相遇的地方,。"
圖3 阻斷核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)Ubc9Ts清除的影響
從垃圾場(chǎng)到降解——一條新的途徑
酵母中的液泡相當(dāng)于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的溶酶體,。它是一種膜結(jié)合的細(xì)胞器，充滿(mǎn)了分解蛋白質(zhì)的酶，是細(xì)胞的回收中心,。
文章一作Fabián Morales-Polanco說(shuō),，“這不是隨機(jī)的，細(xì)胞把包涵體帶到同一個(gè)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(fā)了進(jìn)一步的問(wèn)題。細(xì)胞質(zhì)包涵體很容易通過(guò)自噬進(jìn)入液泡——細(xì)胞通過(guò)自噬將物質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)中拉入液泡或溶酶體,。但在細(xì)胞核中,，包涵體被核膜與液泡隔開(kāi)。
“即使它們來(lái)到同一個(gè)地方,，它們也不會(huì)從同一扇門(mén)進(jìn)入液泡,。"
為了研究受損蛋白質(zhì)進(jìn)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(zhì)清除機(jī)制——并監(jiān)測(cè)剩余的蛋白質(zhì)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(shù)據(jù)創(chuàng)建了含有這些錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)包涵體的細(xì)胞的3D圖像,。
他們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)包涵體確實(shí)像預(yù)期的那樣進(jìn)入液泡。但核包裹體的路徑令人驚訝,。核包涵體直接從細(xì)胞核出芽,，進(jìn)入兩膜交界處的液泡中。通過(guò)一系列的基因?qū)嶒?yàn),，研究小組發(fā)現(xiàn)ESCRT II/III和Vps4蛋白促進(jìn)了這種進(jìn)入液泡的作用,。這些蛋白質(zhì)會(huì)導(dǎo)致膜彎曲和“發(fā)芽"，或在其他過(guò)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(zhì)的細(xì)胞核,。它們可能是錯(cuò)誤折疊蛋白疾病的有吸引力的治療靶點(diǎn)。
最后,，利用pH值敏感的標(biāo)簽,，研究小組實(shí)際跟蹤了進(jìn)入液泡的包涵體。
“我們能夠看到這些錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)進(jìn)入液泡,，并表明這確實(shí)是一條新的途徑,，"Morales-Polanco說(shuō)。
關(guān)注衰老
該團(tuán)隊(duì)在酵母細(xì)胞中進(jìn)行了這些實(shí)驗(yàn),，酵母細(xì)胞易于生長(zhǎng)且繁殖迅速,。下一步是研究是否在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中使用相同的途徑來(lái)清除人類(lèi)疾病相關(guān)蛋白。
下一步是確定細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的交流是如何沿著這條途徑進(jìn)行的,，還有一個(gè)是觀察這條途徑是如何受到衰老的影響的,。
“有很多證據(jù)表明，這種處理錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的過(guò)程隨著年齡的增長(zhǎng)而減慢,，因此,，隨著時(shí)間的推移,，衰老的細(xì)胞無(wú)法快速有效地清除所有垃圾，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)堆積得越來(lái)越多,。"
“我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)質(zhì)量控制途徑通過(guò)核膜進(jìn)行交流,，核膜是一種因衰老和神經(jīng)退行性疾病而受損的結(jié)構(gòu)，許多早衰癥突變體會(huì)導(dǎo)致早衰,，扭曲核膜,。這項(xiàng)工作確實(shí)是一個(gè)改變游戲規(guī)則的人，它最終帶來(lái)了一種新的方式來(lái)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
