研究人员发现细胞中的纳米室如何指导蛋白质折叠

能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员进行的一项具有里程碑意义的研究揭示了一种名为TRiC的微型细胞机器如何指导微管蛋白的折叠，微管蛋白是一种人类蛋白质，是微管的组成部分，可作为细胞的支架和运输系统.

到目前为止，科学家们认为TRiC和类似的机器，称为伴侣蛋白，被动地提供有利于折叠的环境，但不直接参与其中。

研究人员估计，我们细胞中多达10%的蛋白质，以及植物和动物中的蛋白质，都从这些小腔室中得到实际帮助，折叠成它们最终的活跃形状。

该研究的主要作者之一、斯坦福大学教授JudithFrydman说，许多在TRiC帮助下折叠的蛋白质与人类疾病密切相关，包括某些癌症和神经退行性疾病，如帕金森病、亨廷顿氏病和阿尔茨海默病。

事实上，她说，许多抗癌药物旨在破坏微管蛋白及其形成的微管，这对细胞分裂非常重要。因此，靶向TRiC辅助的微管蛋白折叠过程可以提供一种有吸引力的抗癌策略。

该团队今天在《细胞》杂志上发表的一篇论文中报告了他们长达十年的研究结果。

“这是我40年职业生涯中研究过的最令人兴奋的蛋白质结构，”SLAC/斯坦福大学教授WahChiu说，他是开发和使用低温电子显微镜(cryo-EM)的先驱，也是SLAC的低温电子显微镜和生物成像部门。

“20年前我遇到Judith时，”他说，“我们讨论了我们是否可以看到蛋白质折叠。这是人们多年来一直在尝试做的事情，现在我们已经做到了。”

研究人员使用冷冻电子显微镜以近原子分辨率捕获了TRiC定向折叠过程中的四个不同步骤，并通过生化和生物物理分析证实了他们所看到的。

Frydman说，在最基本的层面上，这项研究解决了为什么微管蛋白在没有TRiC的帮助下就不能折叠的长期谜团：“它确实是一个游戏规则的改变者，最终带来了一种新的方法来理解蛋白质在人体细胞中的折叠方式。”

将意大利面折成花朵

蛋白质在细胞所做的几乎所有事情中都起着至关重要的作用，找出它们如何折叠成最终的3D状态是化学和生物学中最重要的任务之一。

SLAC-Stanford的一项研究揭示了折叠一种称为微管蛋白的人类蛋白质的四个中间步骤，所有步骤均由称为TRiC(黄色)的细胞机器的内壁指导。当一条微管蛋白链进入TRiC室时，该过程开始。一端(绿色)钩入内腔壁;然后另一端(浅蓝色)连接到另一个点并折叠，然后是绿色端和中间部分的另外两个折叠(深蓝色和红色)。折叠由内壁上的静电荷区域和从内壁悬垂的蛋白质“尾巴”引导，它们将蛋白质保持并稳定在正确的配置中，以进行下一步的折叠。蛋白质核心(深蓝色)包含口袋(橙色)，GTP是一种储存和释放能量以为细胞工作提供动力的分子，插入其中。图片来源：

正如Chiu所说，“蛋白质最初是一串看起来像意大利面条的氨基酸，但只有折叠成形状恰到好处的花朵才能发挥作用。”

自20世纪50年代中期以来，美国国立卫生研究院研究员克里斯蒂安·安芬森(ChristianAnfinsen)使用小蛋白质进行的实验塑造了我们关于蛋白质折叠方式的图景。他发现，如果他展开一个小蛋白质，它会自发地弹回原来的形状，并得出结论，这样做的方向是在蛋白质的氨基酸序列中编码的。安芬森因这一发现而分享了1972年的诺贝尔化学奖。

三十年后，研究人员发现专门的细胞机器帮助蛋白质折叠。但普遍的观点是，它们的功能仅限于通过保护蛋白质免于被困或聚集在一起来帮助蛋白质进行自发折叠。

一种称为伴侣蛋白的辅助机器包含一个桶状腔室，在蛋白质折叠时将其容纳在内部。TRiC属于此类。

TRiC室的独特之处在于它由八个不同的亚基组成，形成两个堆叠环。一个长而细的微管蛋白链被一个形状像水母的辅助分子输送到腔室的开口中。然后腔室的盖子关闭并开始折叠。完成后，盖子打开，完成的折叠微管蛋白离开。

由于微管蛋白在没有TRiC的情况下无法折叠，因此看来TRiC可能不仅仅是被动地帮助微管蛋白自发折叠。但这究竟是如何工作的呢?这项新研究回答了这个问题并证明，至少对于微管蛋白等蛋白质，“自发折叠”概念并不适用。相反，TRiC直接协调导致正确形状蛋白质的折叠途径。

Frydman说，尽管人工智能或AI的最新进展可以预测大多数蛋白质的最终折叠结构，但AI并没有显示蛋白质如何达到正确的形状。这些知识是控制细胞折叠和开发折叠疾病疗法的基础。为了实现这一目标，研究人员需要弄清楚细胞中折叠过程的详细步骤。

细胞室负责

十年前，Frydman、Chiu和他们的研究团队决定深入研究TRIC室中发生的事情。

“与细菌中更简单的伴侣蛋白折叠室相比，人体细胞中的TRiC是一种非常有趣且复杂的机器，”Frydman说。“它的八个亚基中的每一个都具有不同的特性，并在室内呈现出不同的表面，事实证明这非常重要。”

科学家们发现，这个独特的腔室内部以两种方式指导折叠过程。

当腔室的盖子盖上蛋白质时，静电荷区域出现在其内壁上。它们吸引微管蛋白链的带相反电荷的部分，基本上将它们固定在壁上，为下一步的折叠创造适当的形状和配置。同时，从腔室壁垂下的TRiC亚基“尾巴”在特定的时间和位置抓住微管蛋白以锚定和稳定它。

首先，微管蛋白链的一端钩在墙上的一个小口袋里。然后另一端连接在不同的位置并折叠。现在挂在墙上的那一端折叠起来，使其紧挨着第一个折叠区域。

在第三步中，中间部分的一部分折叠形成蛋白质的核心，以及可以插入GTP的口袋，GTP是一种储存和释放能量以为细胞工作提供动力的分子。

最后，剩余的蛋白质部分折叠。微管蛋白分子现在已准备好发挥作用。

“这些折叠序列中间阶段的结构快照以前从未被低温电子显微镜看到过，”弗里德曼说。

强大的技术融合

她的团队通过一系列具有挑战性的生化和生物物理测试证实了折叠顺序，这些测试需要多年的工作。

解释这些结果使研究人员能够构建微管蛋白在TRiC室内折叠时形状变化的图片，这与低温EM生成的图像相匹配。

“能够在这些技术之间来回切换是非常强大的，因为这样你就可以真正知道你所看到的反映了细胞中正在发生的事情，”弗里德曼说。

“科学给我们带来了一个我从未预料到的非常有趣的解决方案，这让我们感到惊讶。”

该研究还为了解这种折叠系统如何在构成植物、动物和人类的真核细胞中进化，而不是在细菌和古细菌等更简单的细胞中进化提供了线索。研究人员表示，随着蛋白质变得越来越复杂以满足真核细胞的需求，在某些时候它们无法折叠成所需的形状来执行更复杂的工作而无需一点帮助。真核蛋白质和它们的伴侣蛋白室可能一起进化，可能始于大约27亿年前所有真核生物的最后一个共同祖先。

由于分析的复杂性和大流行的间歇性，这项研究持续了很长时间，以至于许多参与这项研究的人已经转向其他工作。他们包括来自Frydman小组的博士后研究人员DanielGestaut和MirandaCollier，他们执行了该项目的生化部分并推动了它，还有来自Chiu小组的YanyanZhao、Soung-HunRoh、BoxueMa和GregPintilie，他们进行了冷冻-电磁分析。其他贡献者包括Roh小组的学生JunsunPark和来自瑞士苏黎世联邦理工学院的AlexanderLeitner。