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在蛋白质质量控制（PQC）失衡引发疾病的背景下，研究人员针对 Hsp70 与 J - 结构域蛋白（JDP）相互作用机制不明的问题，开展了从头设计 Hsp70 结合蛋白的研究。结果发现设计的 JDM37 可溶解细胞内凝聚体，揭示了凝聚体功能。该研究为 PQC 研究提供新工具和思路。
在细胞的微观世界里，蛋白质就像一群忙碌的 “工人”，时刻参与着细胞的各种生命活动。然而，这些 “工人” 在工作过程中偶尔会 “犯错”，出现折叠错误或功能异常的情况。为了保证细胞正常运转，一套名为蛋白质质量控制（Protein Quality Control，PQC）的 “监管系统” 应运而生。热休克蛋白 70（Heat Shock Protein 70，Hsp70）是 PQC 的核心成员，它与 J - 结构域蛋白（J - domain Protein，JDP）家族协同工作，负责帮助错误折叠的蛋白质重新折叠，以及清理那些无法修复的 “问题” 蛋白质。
但是，目前科学家们对于 Hsp70 和 JDP 之间相互作用的分子机制了解得还不够透彻。这就好比知道了一台机器的大致构造和部分功能，却不清楚各个零件之间究竟是如何精准配合的。这种认知上的不足，限制了我们对许多疾病发病机制的深入理解，也阻碍了相关治疗手段的研发。因为 PQC 失衡会导致功能异常的蛋白质在细胞内堆积，进而引发各种疾病，像神经退行性疾病、癌症等都与它有着千丝万缕的联系。
为了填补这一知识空白，来自美国华盛顿大学（University of Washington）等研究机构的科研人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《Cell Chemical Biology》杂志上。
在这项研究中，科研人员运用了多种关键技术方法。其中，Rosetta 蛋白设计技术被用于构建全新的 Hsp70 结合蛋白，帮助研究人员从理论层面设计出可能与 Hsp70 特异性结合的蛋白质结构。生物膜干涉技术（Biolayer Interferometry）则用于精确测量这些设计蛋白与 Hsp70 的结合特性，了解它们之间的结合亲和力以及结合动力学。荧光素酶复性实验（Luciferase Refolding Assay）通过观察荧光素酶在不同条件下的复性情况，来评估设计蛋白对蛋白质折叠功能的影响。另外，CRISPR - Cas9 技术被用于构建能可视化内源性蛋白质表达的细胞系，为研究内源性凝聚体提供了有力工具。
下面来看看具体的研究结果：
- 筛选活性 JDM 设计：科研人员通过 Rosetta 蛋白设计构建了大量 J - 结构域模拟物（J - domain mimics，JDMs），并对其进行筛选。在众多 JDMs 中，JDM37 脱颖而出，它能够促进 Hsc70（人类 Hsp70 的一种）的 ATP 水解，且在促进荧光素酶复性方面，与天然的 JDP 效果相似。而 JDM16 虽然与 JDM37 仅有两个氨基酸的差异，却无法诱导 ATP 水解，也不能促进荧光素酶复性。这表明即使是微小的氨基酸变化，也可能对蛋白质的功能产生巨大影响。
- JDM 与 Hsp70 结合并溶解细胞内凝聚体：研究发现，JDM37 对 Hsc70 的亲和力比天然 JDs 更高。当将 JDM37 与 GFP 纳米抗体和 mCherry 融合后导入细胞，几乎可以完全消除 GFP 标记的 RIa 凝聚体。而 JDM16 或仅融合 GFP 纳米抗体和 mCherry 的对照组则没有这种效果。进一步研究表明，JDM37 溶解凝聚体的过程需要与 Hsc70 结合并激活其 ATP 酶活性。
- JDM 溶解内源性凝聚体：为了探究 JDM37 对生理条件下凝聚体的影响，研究人员利用 CRISPR - Cas9 技术构建了能可视化内源性蛋白质表达的 HEK293T 细胞系。在这些细胞系中，JDM37 能够显著减少与基因表达调控相关的 paraspeckle 凝聚体数量，而 JDM16 则无明显作用。这说明 JDM37 不仅能作用于人工构建的凝聚体，对体内自然形成的凝聚体同样有效。
- 应用 JDM 探究信号凝聚体的作用：研究人员利用 JDM37 介导的凝聚体扰动剂，对 RIa 凝聚体的信号传导作用进行了研究。结果发现，溶解 RIa 凝聚体能够增加全局 cAMP 积累和 PKA 激活，揭示了 RIa 凝聚体在调节 cAMP/PKA 信号通路中的重要作用。同时，在研究与肺癌相关的融合癌蛋白 EML4 - Alk 凝聚体时发现，JDM37 能够减少其凝聚体数量，降低 Ras 和 Erk 信号传导，抑制细胞生长，表明 EML4 - Alk 凝聚体的形成对肿瘤发生和细胞生长至关重要。
研究结论和讨论部分表明，这项研究设计的人工 JDPs 有助于深入理解 Hsp70 - JDP 系统的功能，JDM37 和 JDM16 在结构和功能上的差异为研究 Hsp70 的调控机制提供了重要线索。JDM37 能溶解多种凝聚体，这一特性为研究其他由无序蛋白结构域驱动的凝聚体系统提供了有力工具，有望帮助科学家们进一步了解这些凝聚体在细胞生理和疾病发生过程中的作用。尽管目前还无法确定 JDM37 激活 Hsc70 的具体机制，也未能完全证实 Hsp70 的招募和 ATP 酶活性与凝聚体调节之间的关系，但这些不足为后续研究指明了方向。总体而言，该研究为蛋白质质量控制领域的研究开辟了新道路，为未来相关疾病的治疗提供了新的潜在靶点和干预策略。
