Science：25年谜团终揭晓！揭示NAC蛋白复合物调节新生蛋白在细胞内的运输

2022年2月28日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自德国康斯坦茨大学、瑞士苏黎世联邦理工学院和美国加州理工学院的研究人员解决了一种已存在25多年的难题：细胞中蛋白如何分选。一种称为NAC（nascent polypeptide-associated complex, 新生多肽复合物）的蛋白复合物在蛋白合成中充当“守门员”，调节着蛋白在细胞内的运输。他们阐明了这种功能背后的分子机制。相关研究结果发表在2022年2月25日的Science期刊上，论文标题为“Mechanism of signal sequence handover from NAC to SRP on ribosomes during ER-protein targeting”。

为了维持我们的细胞功能，当蛋白仍在合成时，就必须将它们运输到细胞中多种称为“细胞器”的目的地。但是，如何才能区分不同的运输目的地并防止蛋白到达错误的细胞器呢？这些作者如今发现了为了使蛋白运输到一个重要的细胞目的地---将新生的蛋白运送到细胞中的一种膜网络，即内质网，这种复杂的过程如何在分子水平上受到控制。

在这项新的研究中，这些作者能够发现一种被专家们称为NAC的蛋白质复合物在这一过程中起着决定性的作用，该复合物是在25年前发现的。像守门员那样，NAC确保只有以内质网为目的地的蛋白被传递给蛋白转运体SRP（signal recognition particle, 信号识别颗粒）。然后SRP介导这种蛋白“货物”运输到指定的目的地。另一方面，如果新生蛋白的目的地不是内质网，守门员NAC会拒绝蛋白转运体SRP的访问。

蛋白工厂

以遗传物质为蓝本，我们身体的细胞中每分钟都会产生成千上万的新蛋白。这种蛋白产生是在核糖体中进行的，核糖体是我们身体的细胞“工厂”，在那里不同的氨基酸---蛋白的构成单元（building block）---被组装成长的氨基酸链。由此产生的蛋白后来可以承担各种各样的功能，并相应地在细胞内有不同的目的地。因此，适当的分选机制往往已经确保在蛋白生产过程中，蛋白可靠地到达细胞内的各自位置。

到目前为止，人们知道两种蛋白质复合物，即上述的NAC和SRP，在新生蛋白向内质网的靶向运输中起着重要作用。SRP是实际的“运输蛋白”，它建立了新生蛋白与核糖体到内质网的联系。它能识别新合成的蛋白中编码的特定运输信号。然而，有一个问题：SRP也非特异性地与没有内质网信号的核糖体结合。

论文共同通讯作者、康斯坦茨大学分子微生物学教授Elke Deuerling解释说，“在不受控制的情况下，SRP会与附近的任何核糖体结合，然后将它运送到内质网，而不管它目前是否正在制造到达这种目的地的蛋白。这将导致无数的错误递送，严重损害细胞的功能和生存能力。”因此，这些作者得出结论，有一种控制实体正好可以防止这种情况：守门员NAC。

追踪分子机制

NAC究竟如何在分子水平上阻止SRP与任何核糖体非特异性地结合，而是确保只有正确的核糖体被运送到内质网，在此之前并不清楚。在这项新的研究中，这些作者探究了这个问题。

为了做到这一点，他们首先通过将纯化的核糖体与NAC和SRP在试管中混合在一起来模拟细胞内的过程。然后将该混合物在零下150℃的温度下快速冷冻，并在电子显微镜下样本这种混合物样品--这种方法被称为低温电镜。这使得结构生物学家Ahmad Jomaa博士（论文共同第一作者）和Viswanathan Chandrasekaran博士（论文共同作者）能够揭示NAC在蛋白货物转移到SRP之前和之后如何与核糖体结合。这是阐明这种守门员机制的一个重要基石，但是这两种状态之间的过渡仍然不清楚。

图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

论文共同第一作者、康斯坦茨大学的Martin Gamerdinger博士解释说，“这种过渡是一个高度动态的过程，无法通过低温电镜来观察。”为了了解这个过程，他和他的团队（博士研究员Annalena Wallisch和Zeynel Ulusoy）进行了高分辨率的生化结合研究，详细揭示了NAC与核糖体的相互作用机制取决于合成的蛋白类型。

作为守门员的NAC

利用这种方法和计算机辅助重建的三维结构，以及Hao-Hsuan Hsieh博士对相关成分之间的结合强度的实验，这些作者成功地破译了NAC在分子水平上的工作原理。根据他们的研究结果，他们能够为NAC的分选功能提出一种详细的分子机制。

据此，NAC与核糖体结合，特别是与新生蛋白离开核糖体的部分结合。就像守门员那样，NAC的一部分保护性地位于这个出口---核糖体通道（ribosomal tunnel）---的前面，并阻止SRP访问核糖体和新生蛋白。只有当新生蛋白中编码的内质网运输信号序列在蛋白合成过程中离开核糖体通道时，才允许访问。NAC识别这个信号并改变它在核糖体上的位置。这样一来，核糖体通道的出口就变得畅通无阻，SRP在通过NAC的“抓取臂”---UBA结构域---被主动招募到核糖体上后，如今可以停靠到核糖体通道的出口上。在SRP结合和信号序列转移后，核糖体与新生蛋白一起被运送到内质网。

Deuerling教授总结了这一基本控制机制，说道，“我们的研究揭示了NAC作为守门员的分子功能，只允许SRP访问那些目的地为内质网的新生蛋白。”她同意她的国际合作伙伴Nenad Ban教授（苏黎世联邦理工学院）、Shu-ou Shan教授（加州理工学院）和Ramanujan Hegde教授（英国MRC-LMB）的看法：“未来的研究将不得不揭示NAC是否在核糖体通道也有其他控制功能。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Ahmad Jomaa et al. Mechanism of signal sequence handover from NAC to SRP on ribosomes during ER-protein targeting. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl6459.