蛋白质液滴是怎么导致多种遗传疾病的？

细胞凝聚体功能障碍是与先天性畸形、常见病、癌症相关的疾病机制。

　　

   

   

人类细胞培养中细胞核的特写:HMGB1蛋白(绿色)通常在整个细胞核中被发现(虚线)。突变HMGB1，如右侧所示，优先定位于核仁(洋红色标记)，并在核仁上形成固化层，从而导致疾病。    

 

大多数蛋白质定位于细胞中不同的富含蛋白质的液滴，也称为“细胞凝聚体”，细胞中的多种液-液相分离介导形成的凝聚体，蛋白质含有作为地址标签的序列特征，告诉蛋白质要进入哪个冷凝体。当标签搞砸时，蛋白质可能会进入错误的凝聚体。根据一个来自临床医学和基础生物学的国际研究团队的研究，这可能是许多尚未解决的疾病的原因。研究结果发表在该杂志上自然．

BPTA综合征患者的特征是肢体畸形，手指短，脚趾多，腿部缺少胫骨，脑容量减小。研究人员发现，BPTAS是由一种特殊的基因变化引起的，这种变化导致一种必需蛋白质迁移到核仁，即细胞核中的一个大的蛋白质液滴。结果，核仁凝聚体的功能受到抑制，发育性疾病发生。

通过与柏林马克斯·普朗克分子遗传学研究所(MPIMG)、石勒苏益格-荷尔斯泰因大学医院(UKSH)的科学家以及来自世界各地的贡献者合作，医学和人类遗传学研究所的临床遗传学家Denise Horn团队正在为新的诊断打开一扇门，这可能会导致许多其他疾病的阐明以及未来可能的治疗方法。

MPIMG研究小组负责人Denes Hnisz说:“我们发现了一种可能在包括遗传性疾病和癌症在内的多种疾病中起作用的新机制。事实上，我们已经发现了600多个类似的突变，其中101个已知与不同的疾病有关。”

不寻常的突变

患者在四肢、面部、神经和骨骼系统上有复杂而显著的畸形，仅用早已很长的疾病名称“短指骨-多指-胫骨再生不良/发育不全综合征”(BPTAS)来部分描述。

医学和人类遗传学研究所(Charité)的临床遗传学家Martin Mensah说:“全球有记录的病例不到10例，这种疾病不仅罕见，而且极其罕见。”为了找到病因，他和同事们解码了5名患者的基因组，发现所有患者的HMGB1蛋白基因都发生了改变。

这种蛋白质的任务是组织细胞核中的遗传物质，并促进其他分子与DNA的相互作用，例如读取基因。

在小鼠中，两条染色体上的基因完全丢失是灾难性的，并导致胚胎死亡。然而，在一些只有一个拷贝突变的患者中，细胞正在使用另一个染色体上完整的拷贝，只导致轻微的神经发育迟缓。但新发现的病例并不符合这一计划。

Mensah是柏林卫生研究所临床科学家项目的成员，他说:“所有5个不相关的个体都具有相同的超罕见疾病，并且几乎具有相同的突变。这就是为什么我们确定HMGB1突变是导致这种疾病的原因。然而，在这一点上，我们不知道基因产物如何在功能上导致疾病，特别是考虑到据报道功能丧失突变会导致其他表型。”

带电蛋白质延伸

仔细观察发现，HMGB1的不同突变会产生不同的后果。测序数据显示，在患有严重畸形的受影响个体中，HMGB1基因最后三分之一的阅读框发生了变化。

翻译成蛋白质后，相应的区域不再配备负电荷，而是配备带正电荷的氨基酸积木。如果序列中缺少一些不能被3整除的遗传字母，就会发生这种情况，因为恰好三个连续的字母总是编码蛋白质的一个组成部分。

然而，蛋白质的尾部并没有明确的结构。相反，这部分像松散的橡皮筋一样悬挂在分子外面。这种蛋白质尾巴(也称为“内在无序区域”)的目的很难研究，因为它们通常只有在与其他分子结合时才有效。那么他们的突变是如何导致所观察到的疾病的呢?

细胞中的蛋白质液滴

为了回答这个问题，医学研究人员找到了MPIMG的生物化学家Denes Hnisz和Henri Niskanen，他们研究控制重要基因的细胞凝聚体。这些液滴状结构很像沙拉酱中的油滴和醋滴。它们由大量不同的分子组成，与周围环境分离，可以发生动态变化。

“我们认为凝聚体在细胞中形成是有实际原因的，”Niskanen解释说。用于特定任务的分子以这种方式组合在一起，比如读取基因。他说，光是这项任务，就需要几百种蛋白质以某种方式到达正确的位置。

“本质上无序的区域，往往没有明显的生化作用，被认为是形成凝聚体的原因，”Niskanen说，他举了一个例子来描述蛋白质延伸的物理特性在这方面的重要性。“我可以很容易地用许多松散的橡皮筋做一个球，这些橡皮筋相对紧密地结合在一起，不费什么力气就能把它们拆开。另一方面，一团光滑的钓鱼线或胶带，表现就完全不同了。”

凝聚体固化

细胞核内的核仁也是凝聚体，在显微镜下呈弥漫性暗斑。这是许多尾部带正电荷的蛋白质喜欢逗留的地方。其中许多提供了蛋白质合成所需的机制，使得这种凝聚体对细胞功能至关重要。

研究小组从分离蛋白和细胞培养实验中观察到，带有正电荷分子尾巴的突变蛋白HMGB1也被吸引到核仁上。

但由于突变的蛋白质区域也获得了油性、粘性的部分，它倾向于结块。Niskanen能够在显微镜下观察到核仁失去了液体性质并逐凝聚体。这损害了细胞的重要功能——与没有突变的细胞相比，含有突变蛋白质的培养物中死亡的细胞更多。

梳理数据库

研究小组随后搜索了数千人的基因组数据数据库，以寻找类似的事件。事实上，科学家们能够在66种蛋白质中识别出600多个类似的突变，其中蛋白质尾部的突变改变了阅读框，使其既带更多正电荷，又更“油腻”。在这些突变中，有101个之前与几种不同的疾病有关。

在细胞培养实验中，研究小组选择了13个突变基因。在13例中的12例中，突变蛋白倾向于定位到核仁中。大约一半的测试蛋白质损害了核仁的功能，类似于BPTA综合征的疾病机制。

现有疾病的新解释

“对于临床研究来说，我们的研究可能会有令人大开眼界的效果，”Malte Spielmann说，他与Denes Hnisz和Denise Horn一起领导了这项研究。“在未来，我们当然可以阐明一些遗传疾病的原因，并希望有一天能治疗它们。”

然而，“即使有我们的新知识，像BPTAS这样的先天性遗传疾病也几乎不可能治愈，”Horn说。“因为这些畸形在子宫内就已经形成了，在形成之前必须用药物治疗。这很难做到。”

但肿瘤疾病也主要是由基因决定的，Hnisz补充说:“细胞凝聚体和相关的相分离是细胞的基本机制，也在癌症中发挥作用。针对这种情况开发靶向疗法的机会要大得多。”

Aberrant phase separation and nucleolar dysfunction in rare genetic diseases