来源：cnBeta
2023-04-30 05:59:46
折叠错误的蛋白质对细胞健康构成威胁，因为它们干扰了正常功能，并导致了与年龄相关的退行性疾病，如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和亨廷顿氏症。细胞消除这些有害蛋白质的机制还没有被完全理解。4月20日发表在《自然-细胞生物学》上的一项最新研究，揭示了斯坦福大学研究人员的突破性发现。
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他们发现了一个以前未被发现的细胞途径，该途径有助于从细胞核中清除错误折叠的蛋白质，而细胞的DNA是在那里储存、转录和复制的。保持这些过程的完整性对细胞的正常功能至关重要。这条新发现的途径为治疗与年龄有关的疾病提供了潜在的治疗目标。
为了找到这一新途径，人文与科学学院唐纳德-肯尼迪讲座教授朱迪思-弗莱曼实验室的研究人员整合了几种遗传、成像和生化方法，以了解酵母细胞如何处理错误折叠的蛋白质。在实验中，该团队将错误折叠的蛋白质限制在细胞核或细胞质--细胞内但在细胞核外的区域。研究小组通过活细胞成像和超分辨率显微镜直观地跟踪了错误折叠的蛋白质的命运。
A) 酵母细胞吞噬细胞质错误折叠蛋白（紫色）在降解细胞机制或空泡（灰色）内的三维重建。B）超分辨率重建显示核内错误折叠的蛋白质（绿色）通过核-液泡交界处（黄色）被定位到降解细胞机制中。资料来源：Fabián Morales-Polanco
"第一件令人兴奋的事情是，我们实际上发现细胞核和细胞质之间存在交流，"该论文的共同第一作者、Frydman实验室的前博士后学生Emily Sontag说。"所以它们互相告诉对方，"我们都有很多错误折叠的蛋白质；让我们协调一下，把它们送到这个垃圾场，以便它们可以被清除。"
研究小组将"垃圾场"确定为细胞核和液泡--一种充满降解蛋白质的酶的细胞器的交叉点，并表明在这个"垃圾场"中的错误折叠的蛋白质被转移到液泡的内部进行降解。他们还表明，该途径依赖于一类用于创建小囊泡以在细胞周围运输分子的蛋白质。
桑塔格说："把那个特定的蛋白质家族和囊泡运输生物学的这个方面与蛋白质清除联系起来，给我们提供了一个观察阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病--所有这些神经退行性疾病的新方法。"
细胞核和细胞质共享的"垃圾堆"场所
细胞可以通过两种方式处理折叠错误的蛋白质：通过重新折叠它们或消除它们，第三种选择是将它们储存在一个特定的细胞位置。
该论文的资深作者弗莱曼说："当细胞决定是否重新折叠或降解蛋白质时，它将它们封存在这些无膜的包裹体中。内含物是错误折叠的蛋白质集群，在细胞质和细胞核中都有。"
研究小组发现，细胞机制在细胞核和细胞质的不同地方形成了小的错误折叠蛋白内含物，就像微小的垃圾堆，然后向细胞核和空泡（一个更大的垃圾堆）之间的边界迁移。最终，细胞核和细胞质错误折叠的蛋白质内含物排成一排，面对面，由核包膜将它们分开。
"细胞核和细胞质之间的来回交流是我们完全没有想到的，"桑塔格说。"知道这两个隔间可以某种程度上一起工作来清除各处的垃圾，这真的很了不起。"
弗莱德曼说："它表明，细胞核中错误折叠的蛋白质的管理和细胞质中错误折叠的蛋白质的管理是不同的，但又是协调的。而真正酷的是，每个区间都将其错误折叠的蛋白质转移到核包膜与空泡膜相接的地方。"
从倾倒点到降解--一条新的途径
酵母中的液泡相当于哺乳动物细胞中的溶酶体。它是一个有膜的细胞器，里面充满了分解蛋白质的酶--细胞的一个回收中心。
"这不是随机的，"该论文的共同第一作者、弗莱曼实验室的博士后学者费边-莫拉莱斯-波兰科说。"细胞将内含物带到同一个地方是有原因的"。
研究小组怀疑这个原因是为了将包裹体送到空泡中进行降解，但这提出了进一步的问题。细胞质内含物很容易通过自噬进入空泡--这是一个细胞用来将东西从细胞质中拉到空泡或溶酶体的过程。但在细胞核中，包裹体被核包膜与空泡分开。
莫拉莱斯-波兰科说："即使它们来到同一个地方，它们也不会从同一个门进入空泡。"
为了研究受损蛋白质进入液泡的途径，研究小组阻断了蛋白酶体--另一种主要的蛋白质清除机制--并监测剩余的蛋白质清除活动。他们还使用低温软X射线断层扫描和荧光显微镜数据创建了含有这些错误折叠的蛋白质包裹体的细胞的三维图像。
他们发现，细胞质内含物确实如预期的那样被推入液泡。但核包裹体的路线却令人惊讶。核内含物直接从细胞核进入两层膜交界处的空泡。利用一系列的遗传实验，研究小组表明ESCRT II/III和Vps4蛋白促进了这种发芽进入液泡的行动。众所周知，这些蛋白能使膜弯曲和"发芽"，或在其他过程中形成新的囊泡，但还没有被研究为有助于清除细胞核中的受损蛋白。它们可能是错误折叠的蛋白质疾病的有吸引力的治疗目标。
最后，利用pH值敏感的标签，研究小组实际跟踪了进入液泡的包裹体。在此能够看到这些错误折叠的蛋白质进入空泡，并表明这确实是一条新的途径。
对老化的关注
该团队在酵母细胞中进行了这些实验，酵母细胞易于生长和快速繁殖。下一步是调查这种途径是否在哺乳动物细胞中被用来清除人类疾病相关的蛋白质。
另一个下一步是确定细胞核和细胞膜之间的交流是如何沿着该途径发生的，还有一个步骤是看该途径如何受到衰老的影响。
桑塔格说："有很多证据表明，这个处理错误折叠的蛋白质的过程会随着年龄的增长而减慢。因此，随着时间的推移，老化的细胞不能像以前那样快速或有效地清除所有的垃圾，错误折叠的蛋白质在细胞内积累得越来越多。"
"核和细胞质的质量控制途径通过核包膜进行沟通，这种结构因衰老和神经退行性疾病而受损，"弗莱曼说。"许多导致过早衰老的早衰症突变体会扭曲核包膜。这项工作真的是改变了游戏规则，最终带来了一种新的方式来理解，从而治愈影响越来越多老年人口的各种可怕的疾病"。
