壽命較短的蛋白控制細(xì)胞中的基因表達(dá),執(zhí)行著許多重要任務(wù),從幫助大腦形成連接到幫助身體進(jìn)行免疫防御。這些蛋白在細(xì)胞核中產(chǎn)生,一旦完成任務(wù)就會(huì)迅速被破壞。盡管這些蛋白非常重要,但幾十年來,科學(xué)家們一直不知道它們在不再需要時(shí)遭受降解并從細(xì)胞中清除的過程。
在一項(xiàng)新的研究中,來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種名為 midnolin 的蛋白,它在降解許多壽命較短的核蛋白的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。他們的研究表明,midnolin 通過直接抓住這些蛋白并將它們拉入細(xì)胞廢物處理系統(tǒng)---蛋白酶體(proteasome)---中,在那里將它們破壞。由于在這一過程中遭受降解的短壽命蛋白會(huì)調(diào)節(jié)與大腦、免疫系統(tǒng)和發(fā)育有關(guān)的重要功能基因,科學(xué)家們可能能夠靶向這一過程作為一種控制蛋白水平從而改變這些功能并校正任何功能障礙的方法。
論文共同第一作者、哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)博士生Christopher Nardone補(bǔ)充說,“我們發(fā)現(xiàn)的這種機(jī)制非常簡單而優(yōu)雅說。這是一項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn),但對未來有很多影響?!?/span>
分子之謎
眾所周知,細(xì)胞可以通過使用一種叫做泛素的小分子標(biāo)記蛋白來降解它們。這種標(biāo)記會(huì)告訴蛋白酶體不再需要這些蛋白,從而將它們破壞。已故的Fred Goldberg在哈佛醫(yī)學(xué)院完成了這一過程的大部分開創(chuàng)性研究。然而,有時(shí)蛋白酶體降解蛋白時(shí)不需要泛素標(biāo)記的幫助,這讓科學(xué)家們猜測存在另一種不依賴泛素的蛋白降解機(jī)制。
Nardone說,“文獻(xiàn)中有零星證據(jù)表明,蛋白酶體能以某種方式直接降解沒有泛素標(biāo)記的蛋白,但沒有人明白這是如何發(fā)生的。”
一組似乎可以通過另一種機(jī)制降解的蛋白是刺激誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子(stimuli-induced transc[x]ription factor):在細(xì)胞刺激下迅速產(chǎn)生的蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核打開基因,然后迅速被破壞。
Gu說,“一開始讓我印象深刻的是,這些蛋白極不穩(wěn)定,它們的半衰期很短---一旦產(chǎn)生,就會(huì)發(fā)揮其功能之后很快就會(huì)被降解?!?/span>
論文共同通訊作者、哈佛醫(yī)學(xué)院布拉瓦特尼克研究所神經(jīng)生物學(xué)教授Michael Greenberg說,這些轉(zhuǎn)錄因子支持體內(nèi)一系列重要的生物過程,但即使經(jīng)過幾十年的研究,“它們的周轉(zhuǎn)機(jī)制在很大程度上還是未知的”。另一名論文共同通訊作者為哈佛醫(yī)學(xué)院和布萊根婦女醫(yī)院遺傳學(xué)與醫(yī)學(xué)教授Stephen Elledge。
從少數(shù)到數(shù)百
為了研究這一機(jī)制,這些作者從兩種熟悉的轉(zhuǎn)錄因子入手:Fos和EGR1,其中Greenberg實(shí)驗(yàn)室對 Fos 在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮作用進(jìn)行了廣泛研究,而EGR1參與細(xì)胞分裂和存活。
通過使用Elledge實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的復(fù)雜蛋白和基因分析方法,這些作者著重關(guān)注midnolin這種有助于降解這兩種轉(zhuǎn)錄因子的蛋白。后續(xù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),除了 Fos 和 EGR1,midnolin 還可能參與降解細(xì)胞核中的數(shù)百種其他轉(zhuǎn)錄因子。
Gu 和 Nardone 回憶說,他們對自己的研究結(jié)果感到震驚和懷疑。為了證實(shí)他們的發(fā)現(xiàn),他們決定要弄清楚 midnolin 究竟如何靶向和降解如此多不同的蛋白。
Nardone說,“當(dāng)我們確定了所有這些蛋白之后,關(guān)于midnolin的這種降解機(jī)制究竟是如何起作用的還有許多令人費(fèi)解的問題?!?/span>
借助一種名為 AlphaFold 的機(jī)器學(xué)習(xí)工具(可預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)),再加上一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,這些作者得以充實(shí)這一機(jī)制的細(xì)節(jié)。他們發(fā)現(xiàn),midnolin有一個(gè)“捕捉結(jié)構(gòu)域(Catch domain)”---該蛋白的一個(gè)能捕捉其他蛋白并將它們直接送入蛋白酶體以便隨后遭受降解的區(qū)域。這個(gè)“捕捉結(jié)構(gòu)域”由兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域組成,這兩個(gè)區(qū)域通過氨基酸連接在一起,可以抓住蛋白中一個(gè)相對非結(jié)構(gòu)化的區(qū)域,從而使得 midnolin 能夠捕捉多種不同類型的蛋白。
值得注意的是,像Fos這樣的蛋白負(fù)責(zé)打開基因,促使大腦中的神經(jīng)元根據(jù)刺激進(jìn)行接線和重新接線。其他蛋白,如IRF4,通過確保細(xì)胞能夠制造功能性B細(xì)胞和T細(xì)胞來激活支持免疫系統(tǒng)的基因。
Elledge說,“這項(xiàng)新研究令人興奮的地方在于,我們?nèi)缃窳私饬艘环N新的不依賴泛素化的降解蛋白的通用機(jī)制?!?/span>
誘人的轉(zhuǎn)化潛力
在短期內(nèi),這些作者希望更深入地研究他們發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。他們正計(jì)劃進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究,以更好地了解 midnolin 如何捕獲和降解蛋白的細(xì)節(jié)。他們還在制造缺乏midnolin的小鼠,以了解這種蛋白在不同細(xì)胞和發(fā)育階段中的作用。
這些作者表示,他們的發(fā)現(xiàn)具有誘人的轉(zhuǎn)化潛力。它可能提供一種途徑,以便科學(xué)家們用來來控制轉(zhuǎn)錄因子的水平,從而調(diào)節(jié)基因表達(dá),進(jìn)而調(diào)節(jié)體內(nèi)的相關(guān)過程。
Greenberg說,“蛋白降解是一種至關(guān)重要的過程,蛋白降解失調(diào)是許多疾病的基礎(chǔ)”,包括某些神經(jīng)和精神疾病,以及一些癌癥。
例如,當(dāng)細(xì)胞中像 Fos 這樣的轉(zhuǎn)錄因子過多或過少時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶問題。在多發(fā)性骨髓瘤中,癌細(xì)胞會(huì)對免疫蛋白 IRF4 上癮,因此它的存在會(huì)助長這種疾病。這些作者尤其感興趣的是,找出哪些疾病可能通過開發(fā)基于midnolin-蛋白酶體途徑發(fā)揮作用的療法加以治療。
Gu說,“我們正在積極探索的一個(gè)領(lǐng)域是如何調(diào)整這種機(jī)制的特異性,以便它能特異性地降解感興趣的蛋白?!?/span>