Cell：里程碑进展！揭示人类伴侣蛋白TRiC指导微管蛋白折叠机制

人类微管蛋白（tubulin）是作为细胞支架和运输系统的微管的组成部分。在一项具有里程碑意义的长达10年的研究中，来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员揭示了一种名为TRiC的微小细胞机器如何指导微管蛋白的折叠。相关研究结果发表在2022年12月8日的Cell期刊上，论文标题为“Structural visualization of the tubulin folding pathway directed by human chaperonin TRiC/CCT”。

在此之前，科学家们认为TRiC和类似的细胞机器，即所谓的伴侣蛋白（chaperonin），被动地提供一个有利于折叠的环境，但不直接参与其中。

这些作者估计，我们细胞中多达10%的蛋白，以及植物和动物中的蛋白，在折叠成它们最终的活性形状时，得到了这些细胞机器的亲手帮助。

论文共同通讯作者、斯坦福大学教授Judith Frydman说，许多在TRiC帮助下折叠的蛋白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。

她说，事实上，很多抗癌药物都是为了破坏微管蛋白和它所形成的微管，而微管对细胞分裂确实很重要。因此，靶向TRiC辅助的微管蛋白折叠过程可以提供一种有吸引力的抗癌策略。

论文共同通讯作者、SLAC/斯坦福大学教授Wah Chiu说，“这是我40年职业生涯中最激动人心的蛋白结构”。Chiu是开发和使用低温电镜（cryo-EM）的先驱，也是SLAC低温电镜和生物成像部门的主任。他说，“当我20年前遇到Frydman时，我们谈到了我们是否能观察到蛋白折叠。这是人们多年来一直想做的事情，现在我们做到了。”

这些作者用低温电镜以近原子分辨率捕捉到了TRiC引导的蛋白折叠过程中的四个不同步骤，并通过生物化学和生物物理分析证实了他们所看到的情况。

Frydman说，在最基本的层面上，这项研究解决了为什么微管蛋白在没有TRiC的帮助下不能折叠这一长期存在的谜团：“这确实在这个领域引发变革，最终带来了一种理解蛋白在人类细胞中如何折叠的新方法。”

将意大利面条折叠成花

蛋白在细胞所做的几乎所有事情中都发挥着重要作用，而找出它们如何折叠成它们最终的三维状态是化学和生物学中最重要的探索之一。正如Chiu所说：“蛋白一开始是一串氨基酸，看起来像意大利面条，但它只有在折叠成正确形状的花朵后才能发挥作用。”

自20世纪50年代中期以来，美国国家卫生研究院研究员Christian Anfinsen利用小分子蛋白所做的实验塑造了我们对蛋白如何折叠的印象。他发现，如果他让一种小分子蛋白展开，它将自发地弹回相同的形状，并得出结论，这样做的方向在蛋白的氨基酸序列中被编码。Anfinsen因这一发现分享了1972年诺贝尔化学奖。

30年后，科学家们发现，专门的细胞机器帮助蛋白折叠。但普遍的看法是，它们的功能仅限于帮助蛋白进行自发折叠，保护它们不被困住或粘在一起。

一种称为伴侣蛋白的辅助机器包含一个桶状腔室，在蛋白折叠时将其置于其中。TRiC就属于这种类型。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。细长的微管蛋白链被一个形状像水母的辅助分子送入TRiC腔室的开口。然后TRiC腔室的盖子关闭，微管蛋白折叠开始。当这种折叠完成后，盖子打开，完成折叠的微管蛋白离开TRiC腔室。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.014。

由于没有TRiC，微管蛋白就不能折叠，因此TRiC似乎不仅仅是被动地帮助微管蛋白自发折叠。但这究竟是如何起作用的呢？这项新的研究回答了这个问题，并证明至少对于像微管蛋白这样的蛋白，“自发折叠”的概念并不适用。相反，TRiC直接协调折叠途径，导致正确形状的蛋白。

Frydman说，尽管人工智能的最新进展能够预测大多数蛋白的最终折叠结构，但人工智能并没有显示蛋白如何获得它的正确形状。这一知识对于控制细胞内的折叠和开发针对折叠疾病的新疗法是至关重要的。为了实现这一目标，人们需要弄清楚折叠过程的详细步骤，因为它发生在细胞内。

TRIC腔室发挥作用

十年前，Frydman、Chiu和他们的研究团队决定更深入地研究TRIC腔室中发生的情况。

Frydman说，“与细菌中伴侣蛋白的更简单的折叠腔室相比，人类细胞中的TRiC是一种非常有趣和复杂的机器。它的八个亚基中的每一个都有不同的特性，并在它的腔室内呈现出一个独特的表面，而这一点原来真的很重要。”

这些作者发现，这个独特的TRIC腔室的内部以两种方式指导折叠过程。当这个腔室的盖子盖住一个蛋白时，它的内壁上出现了静电荷区域。这些静电荷区域吸引微管蛋白链上带电的部分，并基本上将这些单电部分粘附在这个内壁上，为下一步的折叠创造适当的形状和构型。同时，TRiC亚基的“尾巴”悬挂在腔室内壁上，在特定的时间和地点抓住微管蛋白以锚定和稳定它。

开始时，微管蛋白链的一端钩住了腔室内壁上的一个小口袋。然后，微管蛋白链的另一端附着在不同的地方并折叠起来。现在，钩住腔室内壁的那一端以一种方式折叠，使其紧挨着第一个折叠区域。在第三步中，中间部分的折叠形成了微管蛋白的核心和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，剩余的微管蛋白部分折叠起来。这样，微管蛋白分子现在已经准备好行动了。

Frydman说，“这些折叠序列中的中间阶段的结构快照以前从未通过低温电镜看到过。”

一种强大的技术组合

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微管蛋白的这个折叠顺序，这需要多年的工作。解释这些结果使这些作者能够建立微管蛋白在TRiC腔室内折叠时的形状变化图，这与低温电镜产生的结构图相匹配。

Frydman说，“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，这是我无法预测的。”

这项研究还为理解这种折叠系统如何在构成了植物、动物和人类的真核细胞中进化提供了线索，但在更简单的细胞如细菌和古细菌中没有这种折叠系统。这些作者认为，随着蛋白变得越来越复杂，以满足真核细胞的需要，在某些时候，如果没有一点帮助，它们就无法折叠成完成更复杂工作所需的形状。真核生物的蛋白和它们的伴侣蛋白腔室可能是一起进化的，可能是从大约27亿年前所有真核生物的最后一个共同祖先开始的。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Daniel Gestaut et al. Structural visualization of the tubulin folding pathway directed by human chaperonin TRiC/CCT. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.11.014.

2. Researchers discover how a nano-chamber in the cell directs protein folding
https://phys.org/news/2022-12-nano-chamber-cell-protein.html