MIT诺奖团队解谜令人困惑的“杀手”蛋白

一项新的研究揭示了一种以保护细胞免受死亡而闻名的蛋白质要发挥相反的作用需要什么。

　　

从早期发育到老年，细胞死亡是生命的一部分。没有足够的细胞凋亡这种关键的细胞死亡类型，动物最终会产生过多的细胞，这可能为癌症或自身免疫性疾病奠定基础。但谨慎的控制是必要的，因为当细胞凋亡消除错误的细胞时，其影响可能同样可怕，有助于引发多种神经退行性疾病。

麻省理工学院麦戈文脑研究所的科学家们通过对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的研究，揭开了一个长期存在的谜团，即控制细胞凋亡的因素：一种能够防止程序性细胞死亡的蛋白质是如何促进细胞程序性死亡的。上个月，秀丽隐杆线虫第四次获得了诺贝尔奖。他们的研究由麻省理工学院David H. Koch生物学教授Robert Horvitz领导，并于10月9日在《Science Advances》杂志上发表，揭示了健康和疾病中细胞死亡的过程。

Horvitz同时也是霍华德休斯医学研究所和麦戈文研究所的研究员，他说：“这些发现是由研究生Nolan Tucker和前研究生，现在是麻省理工学院的教员同事Peter Reddien共同完成的，他们揭示了一种长期被认为可以阻止秀丽隐杆线虫细胞凋亡的蛋白质相互作用可能会产生相反的效果。”Horvitz因发现和描述秀丽隐杆线虫控制细胞死亡的基因而获得2002年诺贝尔生理学或医学奖。

细胞死亡机制

Horvitz、Tucker、Reddien及其同事利用秀丽隐杆线虫分析了驱动细胞凋亡的机制，以及细胞如何确保细胞凋亡在何时何地发生的机制，为细胞凋亡领域提供了基础见解。人类和其他哺乳动物需要几十种蛋白质来控制细胞凋亡，而这些虫子只需要几种。但当事情出错时，虫子很容易观察：当没有足够的细胞凋亡时，研究人员可以看到线虫半透明的体内有太多的细胞。当水分过多时，线虫会缺乏某些生物功能，或者在更极端的情况下，无法繁殖或在胚胎发育过程中死亡。

Horvitz实验室的工作确定了许多控制线虫细胞凋亡的基因和蛋白质的作用。事实证明，这些调节因子在人类细胞中也有对应体，因此，对线虫的研究有助于揭示人类细胞如何控制细胞死亡，并指出治疗疾病的潜在目标。

蛋白质的双重作用

秀丽隐杆线虫的三种主要凋亡调节因子积极促进细胞死亡，而只有一种，CED-9，控制促进细胞凋亡的蛋白以保持细胞存活。然而，早在20世纪90年代，Horvitz和他的同事就认识到，CED-9并不仅仅是细胞的保护者。他们的实验表明，保护蛋白也在促进细胞死亡中起作用。但是，虽然研究人员认为他们知道CED-9如何防止细胞凋亡，但其促细胞凋亡的作用更令人困惑。

CED-9的双重作用意味着编码它的基因突变可以通过多种方式影响细胞凋亡。大多数的CED-9突变会干扰这种蛋白质抵抗细胞死亡的能力，导致细胞过度死亡。相反，异常激活CED-9的突变导致的细胞死亡太少，就像灭活三种杀手基因中的任何一种的突变一样。

Reddien在Horvitz的实验室读博士时发现了一个非典型的CED-9突变，暗示了CED-9如何促进细胞死亡。这种突变改变了CED-9蛋白中与CED-4蛋白相互作用的部分，即促凋亡。由于该突变特异性地导致细胞凋亡减少，这表明CED-9可能需要与CED-4相互作用以促进细胞死亡。

这个想法特别有趣，因为研究人员长期以来一直认为CED-9与CED-4的相互作用具有完全相反的效果：在标准模型中，CED-9将CED-4锚定在细胞的线粒体上，隔离CED-4杀手蛋白，阻止其与另一个关键杀手蛋白CED-3蛋白结合并激活，从而防止细胞凋亡。

为了验证CED-9与杀手CED-4蛋白的相互作用会促进细胞凋亡的假设，研究小组需要更多的证据。因此，研究生Nolan Tucker使用CRISPR基因编辑工具创造了更多在CED-9中发生突变的线虫，每一种都针对CED-4结合区域的不同位点。然后他检查了线虫。“我在这类特殊的突变中看到的是额外的细胞和生存能力，”他说——这清楚地表明，改变后的CED-9仍能防止细胞死亡，但不能再促进细胞死亡。

Tucker解释说：“这些观察结果有力地支持了CED-9的促凋亡功能需要结合CED-4的能力这一假设。”他们的观察结果还表明，与之前的想法相反，CED-9不需要与CED-4结合来防止细胞凋亡。

当他观察突变线虫的细胞内部时，塔克发现了额外的证据，表明这些突变阻止了CED-9与CED-4相互作用的能力。当CED-9和CED-4都完好无损时，CED-4似乎与细胞的线粒体有关。但在这些突变的存在下，CED-4反而位于细胞核的边缘。CED-9结合CED-4与线粒体的能力似乎是促进细胞凋亡所必需的，而不是防止细胞凋亡。

展望未来

虽然研究小组的发现开始解释了一个长期未解决的关于细胞凋亡的主要调节因子之一的问题，但他们也提出了新的问题。“我认为，很多人已经将细胞凋亡的主要途径视为一门或多或少已经确定的科学。我们的发现应该会改变这种看法。”塔克说。

研究人员发现，他们对线虫的研究发现与对哺乳动物细胞死亡途径的了解之间存在重要的相似之处。哺乳动物中与CED-9相对应的是一种叫做BCL-2的蛋白质，这种蛋白质的突变会导致癌症。与CED-9一样，BCL-2也能促进和保护细胞凋亡。与CED-9一样，BCL-2的促凋亡功能一直是个谜。在哺乳动物中，线粒体在激活细胞凋亡中也起着关键作用。Horvitz实验室的发现为更好地理解细胞凋亡是如何在线虫和人类中受到调节，以及细胞凋亡的失调是如何导致癌症、自身免疫性疾病和神经退行性变等疾病提供了机会。