研究发现清除错误折叠蛋白质的新途径

错误折叠的研究蛋白质对细胞有毒。它们破坏正常功能并导致一些与年龄相关的发现人类退行性疾病，如阿尔茨海默氏症、清除帕金森氏症和亨廷顿氏病。错误细胞不断地消除错误折叠的折叠质蛋白质，但人们对这些清除机制仍知之甚少。蛋白

在4月20日发表在《自然细胞生物学》上的新途一项新研究中，斯坦福大学的研究研究人员发现了一种以前未知的细胞通路，用于清除细胞核中错误折叠的发现蛋白质，细胞核是清除细胞储存、转录和复制其DNA的错误隔室。让垃圾远离这些过程对于正常的折叠质细胞功能至关重要。新途径可能成为与年龄相关的蛋白疾病治疗的目标。

为了找到新途径，新途人文与科学学院唐纳德肯尼迪主席JudithFrydman实验室的研究研究人员整合了几种遗传、成像和生化方法来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——细胞内但细胞核外的区域。该团队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蛋白质的命运。

“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，”该论文的共同主要作者、弗里德曼实验室的前博士后EmilySontag说。“所以他们告诉对方，‘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，这样它们就可以被移除了。’”

该团队将“垃圾场”位置确定为细胞核和液泡的交汇处——一种充满酶的细胞器，用于降解蛋白质——并表明在这个“垃圾场”位置错误折叠的蛋白质被移动到液泡内部进行降解.他们还表明，该途径取决于一类蛋白质，这些蛋白质用于产生小囊泡，用于在细胞周围运输分子。

“将特定的蛋白质家族和囊泡运输生物学的这一方面与蛋白质清除联系起来，为我们提供了一种新的方法来研究阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、亨廷顿氏症——所有这些神经退行性疾病，”桑塔格说。

细胞核和细胞质共享“垃圾场”

细胞可以通过两种方式处理错误折叠的蛋白质：重新折叠它们或消除它们。第三种选择是将它们存储在特定的蜂窝位置。

“当细胞决定是重新折叠还是降解蛋白质时，它会将它们隔离到这些无膜内含物中，”该论文的资深作者Frydman说。内含物是出现在细胞质和细胞核中的错误折叠的蛋白质簇。

研究小组发现，细胞机制在细胞核和细胞质内的不同位置形成小的错误折叠蛋白质包涵体，就像微小的垃圾堆，然后迁移到细胞核和液泡之间的边界，即更大的垃圾堆。最终，细胞核和细胞质错误折叠的蛋白质内含物排成一列，彼此面对，核膜将它们隔开。

“细胞核和细胞质之间的来回交流完全出乎我们的意料，”桑塔格说。“知道这两个隔间可以一起工作以清除各处的垃圾真是太棒了。”

“它表明细胞核中错误折叠蛋白质的管理和细胞质中错误折叠蛋白质的管理是不同的，但又是协调的，”Frydman说。“真正酷的是，每个隔室都会将错误折叠的蛋白质移动到核膜与液泡膜相遇的位置。”

从垃圾场到退化：一条新途径

酵母中的液泡相当于哺乳动物细胞中的溶酶体。它是一种膜结合的细胞器，充满了分解蛋白质的酶——细胞的回收中心。

“这不是随机的，”该论文的共同主要作者、弗里德曼实验室的博士后学者FabiánMorales-Polanco说。“出于某种原因，细胞将内含物带到同一个地方。”

该团队怀疑原因是将内含物送到液泡中进行降解，但这引发了进一步的问题。细胞质内含物很容易通过自噬进入液泡——自噬是细胞用来将物质从细胞质拉入液泡或溶酶体的过程。但在细胞核中，内含物通过核膜与液泡隔开。

“即使他们来到同一个地方，他们也不会从同一扇门进入液泡，”Morales-Polanco说。

为了研究受损蛋白质进入液泡的途径，该团队阻断了蛋白酶体——另一种主要的蛋白质清除机制——并监测了剩余的蛋白质清除活性。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蛋白质内含物的细胞的3D图像。

他们发现细胞质内含物确实像预期的那样推入了液泡。但核内含物的路线令人惊讶。核包涵体从细胞核直接出芽进入两个膜交界处的液泡。通过一系列基因实验，研究小组表明ESCRTII/III和Vps4蛋白促进了这种出芽进入液泡的作用。已知这些蛋白质会导致膜弯曲和“发芽”，或在其他过程中形成新的囊泡，但尚未研究其有助于清除受损蛋白质的细胞核。它们可能是错误折叠蛋白质疾病的有吸引力的治疗靶点。

最后，使用pH敏感标签，该团队实际上追踪了液泡中的内含物。

Morales-Polanco说：“我们能够看到这些错误折叠的蛋白质进入液泡，并表明这确实是一条新途径。”

关注衰老

该团队在易于生长和快速繁殖的酵母细胞中进行了这些实验。下一步是研究是否在哺乳动物细胞中使用相同的途径来清除人类疾病相关的蛋白质。

下一步是确定细胞核和胞质溶胶之间的通讯如何沿着通路发生，还有一步是了解通路如何受到衰老的影响。

“有很多证据表明，随着年龄的增长，这种处理错误折叠蛋白质的过程会减慢，”桑塔格说。“因此，随着时间的推移，老化的细胞无法快速或有效地清除所有垃圾，并且错误折叠的蛋白质会在细胞内积聚越来越多。”

“我们发现核和细胞质质量控制途径通过核膜进行通信，核膜是一种因衰老和神经退行性疾病而受损的结构，”Frydman说。“许多导致过早衰老的早衰突变体扭曲了核膜。这项工作确实改变了游戏规则，最终带来了一种新的理解方式，从而治愈了影响日益老龄化人口的各种可怕疾病。”