Science：重大进展！发现细胞中蛋白降解新机制

寿命较短的蛋白控制细胞中的基因表达，执行着许多重要任务，从帮助大脑形成连接到帮助身体进行免疫防御。这些蛋白在细胞核中产生，一旦完成任务就会迅速被破坏。尽管这些蛋白非常重要，但几十年来，科学家们一直不知道它们在不再需要时遭受降解并从细胞中清除的过程。

在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院的研究人员发现了一种名为 midnolin 的蛋白，它在降解许多寿命较短的核蛋白的过程中发挥着关键作用。他们的研究表明，midnolin 通过直接抓住这些蛋白并将它们拉入细胞废物处理系统---蛋白酶体（proteasome）---中，在那里将它们破坏。相关研究结果发表在2023年8月25日的Science期刊上，论文标题为“The midnolin-proteasome pathway catches proteins for ubiquitination-independent degradation”。

论文共同第一作者、哈佛医学院神经生物学研究员Xin Gu说，“这些特殊的短寿命蛋白已经为人所知40多年了，但没有人确定它们究竟如何遭受降解。”

由于在这一过程中遭受降解的短寿命蛋白会调节与大脑、免疫系统和发育有关的重要功能基因，科学家们最终可能能够靶向这一过程作为一种控制蛋白水平从而改变这些功能并校正任何功能障碍的方法。

论文共同第一作者、哈佛医学院遗传学博士生Christopher Nardone补充说，“我们发现的这种机制非常简单而优雅。这是一项基础科学发现，但对未来有很多影响。”

分子之谜

众所周知，细胞可以通过使用一种叫做泛素的小分子标记蛋白来降解它们。这种标记会告诉蛋白酶体不再需要这些蛋白，从而将它们破坏。已故的Fred Goldberg在哈佛医学院完成了这一过程的大部分开创性研究。然而，有时蛋白酶体降解蛋白时不需要泛素标记的帮助，这让科学家们猜测存在另一种不依赖泛素的蛋白降解机制。

Nardone说，“文献中有零星证据表明，蛋白酶体能以某种方式直接降解没有泛素标记的蛋白，但没有人明白这是如何发生的。”

一组似乎可以通过另一种机制降解的蛋白是刺激诱导的转录因子（stimuli-induced transcription factor）：在细胞刺激下迅速产生的蛋白，这些蛋白进入细胞核打开基因，然后迅速被破坏。

Gu说，“一开始让我印象深刻的是，这些蛋白极不稳定，它们的半衰期很短---一旦产生，就会发挥其功能之后很快就会被降解。”

论文共同通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所神经生物学教授Michael Greenberg说，这些转录因子支持体内一系列重要的生物过程，但即使经过几十年的研究，“它们的周转机制在很大程度上还是未知的”。另一名论文共同通讯作者为哈佛医学院和布莱根妇女医院遗传学与医学教授Stephen Elledge。

从少数到数百

为了研究这一机制，这些作者从两种熟悉的转录因子入手：Fos和EGR1，其中Greenberg实验室对 Fos 在学习和记忆中发挥作用进行了广泛研究，而EGR1参与细胞分裂和存活。

通过使用Elledge实验室开发的复杂蛋白和基因分析方法，这些作者着重关注midnolin这种有助于降解这两种转录因子的蛋白。后续实验发现，除了 Fos 和 EGR1，midnolin 还可能参与降解细胞核中的数百种其他转录因子。

midnolin-蛋白酶体途径对许多核蛋白的降解并不依赖于泛素化。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adh5021。

Gu 和 Nardone 回忆说，他们对自己的研究结果感到震惊和怀疑。为了证实他们的发现，他们决定要弄清楚 midnolin 究竟如何靶向和降解如此多不同的蛋白。

Nardone说，“当我们确定了所有这些蛋白之后，关于midnolin的这种降解机制究竟是如何起作用的还有许多令人费解的问题。”

借助一种名为 AlphaFold 的机器学习工具（可预测蛋白结构），再加上一系列实验室实验的结果，这些作者得以充实这一机制的细节。他们发现，midnolin有一个“捕捉结构域（Catch domain）”---该蛋白的一个能捕捉其他蛋白并将它们直接送入蛋白酶体以便随后遭受降解的区域。这个“捕捉结构域”由两个独立的区域组成，这两个区域通过氨基酸连接在一起，可以抓住蛋白中一个相对非结构化的区域，从而使得 midnolin 能够捕捉多种不同类型的蛋白。

值得注意的是，像Fos这样的蛋白负责打开基因，促使大脑中的神经元根据刺激进行接线和重新接线。其他蛋白，如IRF4，通过确保细胞能够制造功能性B细胞和T细胞来激活支持免疫系统的基因。

Elledge说，“这项新研究最令人兴奋的地方在于，我们如今了解了一种新的不依赖泛素化的降解蛋白的通用机制。”

诱人的转化潜力

在短期内，这些作者希望更深入地研究他们发现的机制。他们正计划进行结构研究，以更好地了解 midnolin 如何捕获和降解蛋白的细节。他们还在制造缺乏midnolin的小鼠，以了解这种蛋白在不同细胞和发育阶段中的作用。

这些作者表示，他们的发现具有诱人的转化潜力。它可能提供一种途径，以便科学家们用来来控制转录因子的水平，从而调节基因表达，进而调节体内的相关过程。

Greenberg说，“蛋白降解是一种至关重要的过程，蛋白降解失调是许多疾病的基础”，包括某些神经和精神疾病，以及一些癌症。

例如，当细胞中像 Fos 这样的转录因子过多或过少时，可能会出现学习和记忆问题。在多发性骨髓瘤中，癌细胞会对免疫蛋白 IRF4 上瘾，因此它的存在会助长这种疾病。这些作者尤其感兴趣的是，找出哪些疾病可能通过开发基于midnolin-蛋白酶体途径发挥作用的疗法加以治疗。

Gu说，“我们正在积极探索的一个领域是如何调整这种机制的特异性，以便它能特异性地降解感兴趣的蛋白。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Xin Gu et al. The midnolin-proteasome pathway catches proteins for ubiquitination-independent degradation. Science, 2023, doi:10.1126/science.adh5021.

2. Scientists Discover Previously Unknown Way Cells Break Down Proteins
https://hms.harvard.edu/news/scientists-discover-previously-unknown-way-cells-break-down-proteins