【Cell】长达70年历史的蛋白质折叠理论遭遇挑战！

到目前为止，科学家们认为TRiC和类似的细胞机器（又被称为伴侣蛋白）仅被动地提供了一个有利于折叠的环境，而它们本身并不直接参与蛋白质折叠。研究人员估计，我们细胞内有高达10%的蛋白质会从这些小腔室中得到实际的帮助，折叠成最终的活跃形状。

该研究的主要作者、斯坦福大学教授Judith Frydman表示，许多依靠TRiC微型细胞机器来进行折叠的蛋白质与人类疾病密切相关——包括癌症、诸如帕金森综合征和阿尔兹海默症等在内的神经退行性疾病；事实上，许多抗癌药物旨在破坏微管蛋白及其形成的微管（这对细胞分裂非常重要），因此，靶向由TRiC辅助的微管蛋白折叠过程是一种十分具有吸引力的抗癌策略。

12月8日，该研究团队于《细胞》（Cell）杂志发表了题为“Structural visualization of the tubulin folding pathway directed by human chaperonin TRiC/CCT（由人伴侣蛋白TRiC/CCT指导的微管蛋白折叠途径的结构可视化）”的研究论文，报告了他们长达十年的研究结果。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01457-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS009286742201457X%3Fshowall%3Dtrue

将意大利面折叠成花朵

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蛋白质在某个细胞所进行的几乎所有活动中都起着至关重要的作用；发现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。

正如Chiu所说，“蛋白质最初是一串氨基酸，看起来像意大利面条；在折叠成形状恰到好处的“花朵”之前，它们无法发挥作用。

自19世纪50年代中期以来，我们对蛋白质折叠方式的描绘是由美国国立卫生研究院（NIH）研究员Christian Anfinsen使用小蛋白质进行的实验所塑造的。Christian Anfinsen发现，如果他展开了一个小蛋白质，该蛋白质会自发地弹回相同的形状；他得出结论，这样做的方向被编码在蛋白质的氨基酸序列中。Anfinsen因这一发现分享了1972年诺贝尔化学奖。

三十年后，研究人员发现了专门的细胞机器帮助蛋白质折叠；但普遍的观点是，这些细胞机器的功能仅限于通过保护蛋白质不被困住（trapped）或粘附在一起（glomming）来帮助蛋白质进行自发折叠。

一种称为伴侣蛋白的辅助机器包含一个桶状腔室，在蛋白质折叠时将蛋白质固定在里面——TRiC属于这一类。TRiC腔室的独特之处在于它由八个不同的亚基组成，形成两个堆叠的环。一条细长的微管蛋白链通过形状像水母的辅助分子被输送到腔室的开口中；然后腔室的盖子关闭并开始折叠。折叠完成后，盖子打开，完成的折叠微管蛋白离开。

由于微管蛋白不能在没有TRiC的情况下折叠，因此TRiC似乎不仅仅是被动地帮助微管蛋白自发折叠。但这究竟是如何工作的呢？这项新研究回答了这个问题，并证明了至少对于微管蛋白而言，“自发折叠”概念不适用。相反，TRiC直接协调了导致正确形状蛋白质的折叠途径。

Frydman表示，尽管人工智能（AI）的最新进展可以预测大多数蛋白质的成品折叠结构，但AI并没有显示蛋白质如何获得正确的形状——这些知识是控制细胞折叠和开发折叠疾病疗法的基础。为了实现这一目标，研究人员需要弄清楚在细胞中，折叠过程发生的详细步骤。

一种名为TRiC的细胞机器的插图，它指导微管蛋白的折叠（TRiC中心的黄色缠结）。

微管蛋白是微管的蛋白质构建块，微管在人体细胞中形成支架和运输系统。SLAC和斯坦福大学的研究人员发现TRiC室指导微管蛋白折叠，这挑战了70年前蛋白质如何在我们细胞中折叠的理论，并对治疗与蛋白质错误折叠相关的疾病具有深远的意义。

图片来源：格雷格·斯图尔特/SLAC 国家加速器实验室

细胞室的重要角色

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十年前，Frydman和Chiu，以及他们的研究团队决定深入研究TRIC腔室中发生的事情。科学家们发现，这个独特的腔室内部以两种方式指导折叠过程。

当腔室的盖子在蛋白质上关闭时，静电荷区域出现在其内壁上。它们吸引微管蛋白链中带相反电荷的部分，并基本上将它们粘在墙上，为下一步折叠创造适当的形状和配置。同时，悬挂在腔室壁上的TRiC亚基“尾巴”在特定时间和地点抓住微管蛋白以锚定和稳定它。

首先，微管蛋白链的一端钩入墙上的一个小口袋。然后另一端连接到不同的位置并折叠。现在，钩在墙上的末端以一种折叠的方式折叠，使其紧挨着第一个折叠区域。在第三步中，中间部分的一部分折叠形成蛋白质的核心，以及GTP（一种储存和释放能量以推动细胞工作的分子）可以插入的口袋。最后，剩余的蛋白质切片折叠。微管蛋白分子现在已经准备好发挥作用了。

“在以前，这些折叠序列中中间阶段的结构快照从未通过冷冻电子显微镜被观测到。”Frydman说。

技术的强大组合

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Frydman教授团队通过一系列具有挑战性的生化和生物物理测试证实了折叠序列，这些测试需要多年的工作。解释这些结果使研究人员能够构建微管蛋白在TRiC室内折叠时不断变化的形状的图片，这与冷冻电镜生成的图像相匹配。

该研究还为了解这种折叠系统如何在真核细胞中进化提供了线索。真核细胞构成了植物，动物和人类，而不是在细菌和古细菌等更简单的细胞中进化。研究人员建议，随着蛋白质变得越来越复杂，以满足真核细胞的需求，在某些时候，如果没有一点帮助，它们就无法折叠成执行更复杂的工作所需的形状。真核蛋白质及其伴侣蛋白室可能是一起进化的，可能始于大约27亿年前所有真核生物的最后一个共同祖先。

Judith Frydman 教授表示：“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发生的事情。科学让我们感到惊讶，提出了一个我无法预测的非常有趣的解决方案。”（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://www.news-medical.net/news/20221209/Landmark-study-challenges-a-70-year-old-theory-of-protein-folding.aspx

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01457-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS009286742201457X%3Fshowall%3Dtrue