PLOS：未折叠蛋白如何迁入细胞？

当一个大蛋白质在运送通过一个细胞时没有折叠，它的速度会减慢，并陷入交通堵塞。最近，美国伊利诺伊大学的化学家们，利用一种专门的显微镜——一种细胞交通摄像机，能够看到未折叠蛋白扩散的方式。相关研究结果发表在最近的《PLOS ONE》杂志。

　　

生物通报道：当一个大蛋白质在运送通过一个细胞时没有折叠，它的速度会减慢，并陷入交通堵塞。最近，美国伊利诺伊大学的化学家们，利用一种专门的显微镜——一种细胞交通摄像机，能够看到未折叠蛋白扩散的方式。

研究蛋白质折叠和运输之间的关系，可以让我们深入了解蛋白质错误折叠疾病，如阿尔茨海默氏病和亨廷顿氏病。化学教授Martin Gruebele和研究生Minghao Guo、Hannah Gelman，将相关研究结果发表在最近的《PLOS ONE》杂志。

Gruebele说：“我们着眼于疾病的最早期阶段，坏的蛋白运输的初始阶段。”他说，在过去，很多关于阿尔茨海默氏病及相似疾病的研究，大多集中在原纤维和大脑中形成的大束错误折叠蛋白。

他说：“但是现在，我们认为，原纤维只是细胞死亡时剩下的最终产物，实际杀伤机制与蛋白质向细胞特定位置的迁移有关，例如外细胞膜。在基本水平上了解这些机制是如何运作的，将给人们寻找治疗方法指明方向。”

研究人员推测，一种未折叠蛋白将更缓慢地移动通过细胞，因为它是一个巨大的、粘稠的团状物，而不是一个紧密的包裹。伊利诺伊研究小组设计了一种方法，利用一种荧光显微镜，然后使用三维扩散模型，将这种蛋白的未折叠与其运动联系起来，来测量当一个蛋白质未折叠时扩散如何减慢下来？

研究人员发现，未折叠蛋白确实会慢下来，虽然它的速度并不稳定。有时它迅速对焦到一个新的位置，有时一直待在一个区域无所事事，就像一辆车在交通高峰时间走走停停。他们能够绘制出具有不同扩散速率的细胞区域。

然而，未折叠蛋白的速度放缓，不仅是由于尺寸问题。研究人员进行了更多实验证明，未折叠蛋白与细胞内的其他分子粘在一起。细胞内一类被称为分子伴侣的分子，能够结合蛋白质未折叠的部分，研究人员发现，与正确折叠的蛋白质相比，未折叠蛋白可更多地与分子伴侣相互作用。然而，当大批的蛋白质未折叠时，细胞的系统就会超载，分子伴侣就不能全部处理它们。

Gelman说：“研究这样的事情，可以让人们解决‘为什么在体外相对无害的一些事情，在细胞内却有如此大的影响？’这个问题。在试管中产生不那么有效蛋白质的一个变化，可以转变为细胞内一个完全致命的突变。首先，蛋白质在细胞内的作用，可能不再实现。第二，随着越来越多的未折叠，它们可能会破坏整个细胞的功能。”

研究人员认为，未折叠蛋白可能也粘附在非伴侣分子上，引起细胞内的其他问题，并破坏细胞内的流动。他们计划使用专门的显微镜来研究其他蛋白质，以及未折叠如何影响它们的扩散，以探讨他们观察到的特性是否为普遍性的，或者是否每个蛋白质有其自己的响应。

他们也希望使用这种方法，来观察未折叠或错误折叠蛋白如何移动到细胞膜，在那里它们聚集并产生阿尔茨海默氏病及其他疾病中所看到的问题。

Gruebele说：“一连串的事情。如果在偏僻的地方发生一次交通事故，这仅仅是车主的一个难题。但是，如果你在洛杉矶高速公路的中间路线停车，很快整个高速公路将会瘫痪。我们所研究的事情，就像停在高速公路上的车。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Coupled Protein Diffusion and Folding in the Cell
Abstract: When a protein unfolds in the cell, its diffusion coefficient is affected by its increased hydrodynamic radius and by interactions of exposed hydrophobic residues with the cytoplasmic matrix, including chaperones. We characterize protein diffusion by photobleaching whole cells at a single point, and imaging the concentration change of fluorescent-labeled protein throughout the cell as a function of time. As a folded reference protein we use green fluorescent protein. The resulting region-dependent anomalous diffusion is well characterized by 2-D or 3-D diffusion equations coupled to a clustering algorithm that accounts for position-dependent diffusion. Then we study diffusion of a destabilized mutant of the enzyme phosphoglycerate kinase (PGK) and of its stable control inside the cell. Unlike the green fluorescent protein control's diffusion coefficient, PGK's diffusion coefficient is a non-monotonic function of temperature, signaling ‘sticking’ of the protein in the cytosol as it begins to unfold. The temperature-dependent increase and subsequent decrease of the PGK diffusion coefficient in the cytosol is greater than a simple size-scaling model suggests. Chaperone binding of the unfolding protein inside the cell is one plausible candidate for even slower diffusion of PGK, and we test the plausibility of this hypothesis experimentally, although we do not rule out other candidates.