Cell里程碑成果：挑战了70年前关于蛋白质如何在细胞中折叠的理论

　　

   

   

图片描绘了SLAC和斯坦福大学的一项研究，包括低温电镜成像(左)，该研究发现了一种名为TRiC的细胞机器(右)如何指导微管蛋白的折叠(TRiC中心的黄色区域)。微管蛋白是微管的蛋白质组成部分，微管在人类细胞中充当脚手架和运输系统。这一结果挑战了70年前关于蛋白质如何在细胞中折叠的理论，并对治疗与蛋白质折叠错误有关的疾病具有深远意义。    

图源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员进行了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，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(被称为伴侣蛋白)被动地提供了一个有利于折叠的环境，但并没有直接参与其中。

研究人员估计，我们细胞中高达10%的蛋白质，以及植物和动物细胞中的蛋白质，在折叠成最终的活性形状时，得到了这些小室的实际帮助。

这项研究的主要作者之一、斯坦福大学教授Judith Frydman说，在TRiC的帮助下折叠的许多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、亨廷顿病和阿尔茨海默病。

事实上，她说，很多抗癌药物都是为了破坏微管蛋白及其形成的微管，而微管蛋白对细胞分裂非常重要。因此，靶向tric辅助微管蛋白折叠过程可能提供一个有吸引力的抗癌策略。

该团队在今天发表在《细胞》杂志上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Wah Chiu说，他是开发和使用低温电子显微镜(cryo-EM)的先驱，也是SLAC低温电子显微镜和生物成像部门的主任。

“20年前我遇到朱迪斯时，”他说，“我们讨论了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，现在我们做到了。”

研究人员用低温电镜(cryo-EM)在近原子分辨率下捕捉到了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，这项研究解决了长期以来的谜题:为什么微管蛋白在没有TRiC的帮助下不能折叠:“这真的是一个游戏规则改变者，最终带来了一种新的方法来理解蛋白质在人类细胞中的折叠方式。”

把意大利面折成花  

蛋白质在细胞的几乎所有活动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。

“蛋白质一开始是一串氨基酸，看起来像意大利面，但它只有折叠成形状合适的花才能发挥作用。”

自20世纪50年代中期以来，美国国立卫生研究院研究员Christian Anfinsen用小蛋白质进行的实验塑造了我们对蛋白质折叠方式的认识。他发现，如果展开一个小蛋白质，它会自发地弹回相同的形状，并得出结论，这样做的方向编码在蛋白质的氨基酸序列中。他因这一发现获得了1972年诺贝尔化学奖。

30年后，研究人员发现专门的细胞机器可以帮助蛋白质折叠。但普遍的观点是，它们的功能仅限于通过保护蛋白质不被困住或挤在一起来帮助蛋白质进行自发折叠。

一种叫做伴侣蛋白(chaperonin)的辅助机器包含一个桶状的腔室，在蛋白质折叠时将其保存在里面。TRiC就属于这一类。

TRiC室的独特之处在于它由八个不同的亚单元组成，形成两个堆叠的环。一条细长的微管蛋白链通过水母形状的辅助分子进入腔室的开口。然后密室的盖子合上，开始折叠。当它完成时，盖子打开，完成折叠的微管蛋白就会离开。

由于微管蛋白在没有TRiC的情况下无法折叠，因此TRiC可能不仅仅被动地帮助微管蛋白自发折叠。但这到底是怎么做到的呢?这项新研究回答了这个问题，并证明，至少对于微管蛋白这样的蛋白质，“自发折叠”的概念并不适用。相反，TRiC直接编排折叠途径，导致正确形状的蛋白质。

尽管人工智能(AI)的最新进展可以预测大多数蛋白质的最终折叠结构，但人工智能并不能显示蛋白质是如何获得正确形状的。这一知识是控制细胞折叠和开发折叠疾病治疗方法的基础。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。

TRIC室   

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

“与细菌中伴侣蛋白的简单折叠腔相比，人类细胞中的TRiC是一个非常有趣和复杂的机器，它的八个亚单元都有不同的性质，在腔内呈现出不同的表面，这是非常重要的。”

科学家们发现，这个独特房间的内部以两种方式指导折叠过程。

当容器的盖子盖住蛋白质时，静电荷区就会出现在内壁上。它们会吸引微管蛋白链中带相反电荷的部分，并将它们固定在壁上，为下一步的折叠创造适当的形状和配置。与此同时，从腔壁上垂下的TRiC亚基“尾巴”在特定的时间和地点抓住微管蛋白，锚定和稳定它。

首先，微管蛋白链的一端钩入壁上的一个小口袋。然后另一端连接在不同的位置并折叠。现在，钩入墙壁的一端折叠起来，使它正好靠近第一个折叠的区域。

在第三步中，中间部分折叠形成蛋白质的核心，还有一些口袋，可以插入GTP(一种存储和释放能量的分子，为细胞工作提供动力)。

最后，折叠剩下的蛋白质部分。微管蛋白分子现在已经准备好行动了。

Frydman说:“这些折叠序列中间阶段的结构快照在冷冻电子显微镜下从未见过。”

强大的技术混合  

她的团队通过一系列具有挑战性的生物化学和生物物理测试确认了折叠序列，这些测试需要数年的工作。

对这些结果的解释使研究人员能够构建出微管蛋白在TRiC腔内折叠时形状变化的图像，这与冷冻电镜生成的图像相匹配。

“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”。

“科学给我们带来了一个非常有趣的解决方案，这是我之前没有预料到的。”

这项研究还为理解这种折叠系统在构成植物、动物和人类的真核细胞中是如何进化的提供了线索，而不是在细菌和古生菌等更简单的细胞中。研究人员认为，随着蛋白质为了满足真核细胞的需要而变得越来越复杂，在某种程度上，如果没有一点帮助，它们就无法折叠成所需的形状来完成更复杂的工作。真核生物蛋白质和它们的伴侣蛋白室可能是一起进化的，可能从大约27亿年前所有真核生物的最后一个共同祖先开始。

由于分析的复杂性和大流行期间的插曲，这项研究进行了很长时间，以至于许多参与研究的人都转向了其他工作。他们包括来自Frydman团队的博士后研究人员Daniel Gestaut和Miranda Collier，他们进行了项目的生化部分，并推动了项目的发展，以及来自Chiu团队的yanan Zhao, sang - hun Roh, Boxue Ma和Greg Pintilie，他们进行了冷冻电镜分析。其他贡献者包括Junsun Park研究小组的学生，以及来自瑞士苏黎世联邦理工学院的亚历山大·莱特纳。

原文标题：

Structural visualization of the tubulin folding pathway directed by human chaperonin TRiC/CCT