哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種名為midnolin的蛋白質(zhì)如何在降解許多短壽命的細(xì)胞核蛋白質(zhì)中起關(guān)鍵作用。他們的研究表明，midnolin通過直接抓取這些蛋白質(zhì)并將它們拉入細(xì)胞廢物處理系統(tǒng)，也就是蛋白酶體，進(jìn)行銷毀。雖然細(xì)胞通常會(huì)使用小分子泛素給蛋白質(zhì)打標(biāo)簽，以標(biāo)記其為蛋白酶體銷毀的目標(biāo)，但這項(xiàng)新報(bào)道的研究發(fā)現(xiàn)，midnolin-蛋白酶體機(jī)制繞過了這個(gè)經(jīng)典的泛素化系統(tǒng)。

由于被這一新鑒定的過程分解的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)與大腦、免疫系統(tǒng)和發(fā)育等重要功能有關(guān)的基因，科學(xué)家最終可能能夠?qū)⑦@一過程作為調(diào)控蛋白質(zhì)水平、改變這些功能并糾正任何功能障礙的方法?！斑@些特定的短壽命蛋白質(zhì)已經(jīng)被人們了解了40多年，但沒有人確定它們是如何被降解的，”哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)研究員辛顧博士表示?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)的機(jī)制非常簡(jiǎn)單而又相當(dāng)優(yōu)雅，”哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)博士候選人克里斯托弗·納多恩評(píng)論道。“這是一項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于未來有許多意義。”

古、納多恩及其同事是共同第一作者，他們?cè)谝黄}為“midnolin-蛋白酶體途徑通過泛素化獨(dú)立降解蛋白質(zhì)”的論文中發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。在這篇論文中，他們得出結(jié)論：“我們的研究表明，midnolin-蛋白酶體途徑可能代表了一種一般性機(jī)制，藉此蛋白酶體繞過經(jīng)典的泛素化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)許多關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄所需的核蛋白質(zhì)的選擇性降解?！?/p>

這些短壽命蛋白質(zhì)在細(xì)胞中控制基因表達(dá)，以執(zhí)行許多重要任務(wù)，從幫助大腦建立連接，到幫助身體進(jìn)行免疫防御。這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞核中生成，并一旦完成任務(wù)就會(huì)迅速被銷毀。然而，盡管這些蛋白質(zhì)的重要性，科學(xué)家?guī)资陙硪恢睙o法理解它們完成任務(wù)后如何被分解和從細(xì)胞中清除的過程。

已經(jīng)確立，細(xì)胞可以通過給蛋白質(zhì)打上泛素標(biāo)簽來分解它們。這個(gè)標(biāo)簽告訴蛋白酶體不再需要這些蛋白質(zhì)，然后蛋白酶體銷毀它們。然而，有時(shí)蛋白酶體會(huì)在沒有泛素標(biāo)簽的情況下分解蛋白質(zhì)，這指向存在另一種獨(dú)立于泛素化的蛋白質(zhì)降解機(jī)制?！拔墨I(xiàn)中零星的證據(jù)表明，蛋白酶體可以在沒有標(biāo)記的蛋白質(zhì)上直接進(jìn)行降解，但沒有人理解這是如何發(fā)生的，”納多恩說道。

一組似乎通過另一種機(jī)制被分解的蛋白質(zhì)是刺激誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子。這些蛋白質(zhì)是對(duì)細(xì)胞刺激做出反應(yīng)后產(chǎn)生的，并前往細(xì)胞核以打開基因，之后它們會(huì)迅速被銷毀?！霸诓溉閯?dòng)物中，對(duì)生長(zhǎng)因子、神經(jīng)元和免疫刺激的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)是由一組名為即早基因（IEG）的基因介導(dǎo)的，”作者指出?！癐EG mRNA在初始刺激后的幾分鐘內(nèi)積累，一旦翻譯，它們的蛋白質(zhì)會(huì)迅速降解，以允許短暫的蛋白質(zhì)表達(dá)爆發(fā)。”古補(bǔ)充說道：“最初吸引我注意力的是這些蛋白質(zhì)極不穩(wěn)定，它們的半衰期非常短，一旦它們被產(chǎn)生出來，就會(huì)執(zhí)行它們的功能，然后很快被降解。”

這些轉(zhuǎn)錄因子在身體中支持各種重要的生物過程，然而，即使經(jīng)過幾十年的研究，“它們的降解機(jī)制在很大程度上仍然是未知的，”邁克爾·格林伯格指出，他是哈佛醫(yī)學(xué)院布拉瓦特尼克研究所神經(jīng)生物學(xué)的納森·馬歇爾·普塞教授，也是與斯蒂芬·埃萊奇共同擔(dān)任論文的共同主要作者。作者繼續(xù)表示，“盡管對(duì)IEG轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機(jī)制已經(jīng)得到了很好的表征，但I(xiàn)EG蛋白質(zhì)如何迅速成為目標(biāo)以進(jìn)行降解在多年來一直是個(gè)謎 … IEG蛋白質(zhì)如何被降解仍然不清楚?！?/p>

為了確定這些蛋白質(zhì)完成任務(wù)后是如何被分解的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)專注于兩個(gè)熟悉的轉(zhuǎn)錄因子：Fos和EGR1。Fos在學(xué)習(xí)和記憶方面發(fā)揮著重要作用，由格林伯格實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量研究；而EGR1參與細(xì)胞分裂和存活。他們寫道：“我們假設(shè)存在一個(gè)細(xì)胞途徑專門用于快速降解c-Fos和其他IEG蛋白質(zhì)?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基因組范圍的CRISPR-Cas9篩選，以尋找調(diào)節(jié)IEG蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的基因，使用人類細(xì)胞系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并設(shè)計(jì)了一個(gè)報(bào)告基因。篩選結(jié)果中排名靠前的是MIDN基因，該基因在哺乳動(dòng)物中編碼了基本未知的midnolin蛋白質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)通過驗(yàn)證在人類細(xì)胞系中敲除MIDN會(huì)增加EGR1和FosB穩(wěn)定性來確認(rèn)篩選結(jié)果的準(zhǔn)確性。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)過度表達(dá)midnolin會(huì)降低cFos、FosB和EGR的水平。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)揭示，除了Fos和EGR1之外，midnolin還可能參與核內(nèi)的數(shù)百種其他轉(zhuǎn)錄因子的降解。研究人員指出：“通過功能增益遺傳篩選，我們確定了一個(gè)潛在的midnolin靶蛋白大群，這些蛋白主要富集在核蛋白質(zhì)中，特別是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，這表明midnolin廣泛地促進(jìn)核內(nèi)蛋白質(zhì)的降解，而midnolin本身主要位于核內(nèi)?！?/p>

古和納多恩回憶起他們對(duì)這些結(jié)果感到震驚和懷疑。為了確認(rèn)他們的發(fā)現(xiàn)，他們決定需要弄清楚midnolin如何準(zhǔn)確地針對(duì)并降解如此多不同類型的蛋白質(zhì)?！耙坏┪覀兇_定了所有這些蛋白質(zhì)，就會(huì)有許多關(guān)于midnolin機(jī)制實(shí)際如何工作的困惑問題，”納多恩說道。

在一種名為AlphaFold的預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)工具的幫助下，結(jié)合一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)能夠詳細(xì)說明這一機(jī)制的細(xì)節(jié)?！盀榱肆私鈓idnolin與蛋白酶體及其眾多底物的相互作用，我們使用AlphaFold獲得了midnolin的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，這揭示了三個(gè)具有定義結(jié)構(gòu)的自信預(yù)測(cè)和高度保守的區(qū)域，”他們寫道。研究人員稱midnolin的其中一個(gè)區(qū)域?yàn)椤白ト^(qū)域”，因?yàn)樗砹薽idnolin蛋白質(zhì)的一部分，可以有效地抓住其他蛋白質(zhì)并將其直接送入蛋白酶體，在那里它們會(huì)被分解。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，抓取區(qū)域由兩個(gè)由氨基酸連接的不同區(qū)域組成。有趣的是，他們指出：“刪除折疊在一起形成抓取區(qū)域（N-末端Catch1和C-末端Catch2亞區(qū)域）的區(qū)域會(huì)使midnolin與其底物的相互作用中斷，而不會(huì)影響其與蛋白酶體結(jié)合的能力?！弊ト^(qū)域可以有效地抓住蛋白質(zhì)的相對(duì)不規(guī)則區(qū)域，使midnolin能夠捕捉許多不同類型的蛋白質(zhì)。

值得注意的是，像Fos這樣的蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)打開基因，促使大腦中的神經(jīng)元對(duì)刺激進(jìn)行連接和重構(gòu)。其他蛋白質(zhì)，如IRF4，通過確保細(xì)胞能夠產(chǎn)生功能性的B細(xì)胞和T細(xì)胞來激活支持免疫系統(tǒng)的基因?？偨Y(jié)他們的發(fā)現(xiàn)，作者寫道：“我們的結(jié)果表明，midnolin-蛋白酶體途徑可能代表了一種一般性機(jī)制，藉此蛋白酶體繞過傳統(tǒng)的泛素化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)許多核蛋白質(zhì)的選擇性降解。埃萊奇補(bǔ)充道：“這項(xiàng)研究最令人興奮的方面在于，我們現(xiàn)在理解了一種新的泛素化獨(dú)立機(jī)制，用于降解蛋白質(zhì)?！?/p>

在短期內(nèi)，研究人員希望深入探索這一新發(fā)現(xiàn)的midnolin機(jī)制。他們計(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質(zhì)的細(xì)節(jié)。他們還正在創(chuàng)造缺乏midnolin的基因工程小鼠，以幫助深入了解這種蛋白質(zhì)在不同細(xì)胞和發(fā)育階段的作用。

然而，他們也承認(rèn)，midnolin如何啟動(dòng)其結(jié)合蛋白質(zhì)的降解過程尚未完全被認(rèn)識(shí)。他們說：“midnolin如何啟動(dòng)結(jié)合底物的降解尚不完全理解。我們不知道m(xù)idnolin是否在結(jié)合蛋白質(zhì)之前與目標(biāo)相互作用，還是在固定地與蛋白酶體關(guān)聯(lián)，然后招募其底物，從而在核內(nèi)定義新的蛋白酶體子類?！?/p>

科學(xué)家們指出，這一發(fā)現(xiàn)具有引人入勝的轉(zhuǎn)化潛力。它可能提供了一條途徑，可以利用它來控制轉(zhuǎn)錄因子的水平，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)以及與之相關(guān)的身體過程。格林伯格指出：“蛋白質(zhì)降解是一個(gè)關(guān)鍵的過程，其失調(diào)導(dǎo)致許多疾病和疾病，”包括某些神經(jīng)和精神障礙，以及某些癌癥。

例如，當(dāng)細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄因子如Fos過多或過少時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶問題。正如作者進(jìn)一步指出的：“考慮到許多IEG蛋白質(zhì)被midnolin高效地定向降解，而精確的IEG表達(dá)對(duì)于學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要，打斷或增強(qiáng)midnolin功能可能會(huì)影響動(dòng)物在大腦中高效地學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)信息的能力。”而在多發(fā)性骨髓瘤中，癌細(xì)胞對(duì)免疫蛋白質(zhì)IRF4上癮，因此其存在可以為疾病提供能量。作者補(bǔ)充說：“我們發(fā)現(xiàn)IRF4被midnolin強(qiáng)力地定向降解，這可能為midnolin在免疫系統(tǒng)中的功能提供了新的見解?！?/p>

研究人員特別感興趣的是，能夠通過midnolin-蛋白酶體途徑開發(fā)療法的疾病。他們正在積極探索如何調(diào)整這一機(jī)制的特異性，以便特異地降解感興趣的蛋白質(zhì)。古表示：“我們正在積極探索的領(lǐng)域之一是如何調(diào)整這一機(jī)制的特異性，使其能夠特異性地降解感興趣的蛋白質(zhì)。”

編輯：王洪

排版：李麗