折疊錯誤的蛋白質對細胞健康構成威脅，因為它們干擾了正常功能，並導致了與年齡相關的退行性疾病，如阿爾茨海默氏症、帕金森氏症和亨廷頓氏症。細胞消除這些有害蛋白質的機制還沒有被完全理解。4月20日發表在《自然-細胞生物學》上的一項最新研究，揭示了斯坦福大學研究人員的突破性發現。

他們發現了一個以前未被發現的細胞途徑，該途徑有助於從細胞核中清除錯誤折疊的蛋白質，而細胞的DNA是在那裡儲存、轉錄和復制的。保持這些過程的完整性對細胞的正常功能至關重要。這條新發現的途徑為治療與年齡有關的疾病提供了潛在的治療目標。

為了找到這一新途徑，人文與科學學院唐納德-肯尼迪講座教授朱迪思-弗萊曼實驗室的研究人員整合了幾種遺傳、成像和生化方法，以了解酵母細胞如何處理錯誤折疊的蛋白質。在實驗中，該團隊將錯誤折疊的蛋白質限制在細胞核或細胞質–細胞內但在細胞核外的區域。研究小組通過活細胞成像和超分辨率顯微鏡直觀地跟踪了錯誤折疊的蛋白質的命運。

A) 酵母細胞吞噬細胞質錯誤折疊蛋白（紫色）在降解細胞機製或空泡（灰色）內的三維重建。B）超分辨率重建顯示核內錯誤折疊的蛋白質（綠色）通過核-液泡交界處（黃色）被定位到降解細胞機制中。資料來源：Fabián Morales-Polanco

“第一件令人興奮的事情是，我們實際上發現細胞核和細胞質之間存在交流，”該論文的共同第一作者、Frydman實驗室的前博士後學生Emily Sontag說。”所以它們互相告訴對方，’我們都有很多錯誤折疊的蛋白質；讓我們協調一下，把它們送到這個垃圾場，以便它們可以被清除。”

研究小組將”垃圾場”確定為細胞核和液泡–一種充滿降解蛋白質的酶的細胞器的交叉點，並表明在這個”垃圾場”中的錯誤折疊的蛋白質被轉移到液泡的內部進行降解。他們還表明，該途徑依賴於一類用於創建小囊泡以在細胞周圍運輸分子的蛋白質。

桑塔格說：”把那個特定的蛋白質家族和囊泡運輸生物學的這個方面與蛋白質清除聯繫起來，給我們提供了一個觀察阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病–所有這些神經退行性疾病的新方法。”

細胞核和細胞質共享的”垃圾堆”場所

細胞可以通過兩種方式處理折疊錯誤的蛋白質：通過重新折疊它們或消除它們，第三種選擇是將它們儲存在一個特定的細胞位置。

該論文的資深作者弗萊曼說：”當細胞決定是否重新折疊或降解蛋白質時，它將它們封存在這些無膜的包裹體中。內含物是錯誤折疊的蛋白質集群，在細胞質和細胞核中都有。”

研究小組發現，細胞機制在細胞核和細胞質的不同地方形成了小的錯誤折疊蛋白內含物，就像微小的垃圾堆，然後向細胞核和空泡（一個更大的垃圾堆）之間的邊界遷移。最終，細胞核和細胞質錯誤折疊的蛋白質內含物排成一排，面對面，由核包膜將它們分開。

“細胞核和細胞質之間的來回交流是我們完全沒有想到的，”桑塔格說。”知道這兩個隔間可以某種程度上一起工作來清除各處的垃圾，這真的很了不起。”

弗萊德曼說：”它表明，細胞核中錯誤折疊的蛋白質的管理和細胞質中錯誤折疊的蛋白質的管理是不同的，但又是協調的。而真正酷的是，每個區間都將其錯誤折疊的蛋白質轉移到核包膜與空泡膜相接的地方。”

從傾倒點到降解–一條新的途徑

酵母中的液泡相當於哺乳動物細胞中的溶酶體。它是一個有膜的細胞器，裡面充滿了分解蛋白質的酶–細胞的一個回收中心。

“這不是隨機的，”該論文的共同第一作者、弗萊曼實驗室的博士後學者費邊-莫拉萊斯-波蘭科說。”細胞將內含物帶到同一個地方是有原因的”。

研究小組懷疑這個原因是為了將包裹體送到空泡中進行降解，但這提出了進一步的問題。細胞質內含物很容易通過自噬進入空泡–這是一個細胞用來將東西從細胞質中拉到空泡或溶酶體的過程。但在細胞核中，包裹體被核包膜與空泡分開。

莫拉萊斯-波蘭科說：”即使它們來到同一個地方，它們也不會從同一個門進入空泡。”

為了研究受損蛋白質進入液泡的途徑，研究小組阻斷了蛋白酶體–另一種主要的蛋白質清除機制–並監測剩餘的蛋白質清除活動。他們還使用低溫軟X射線斷層掃描和熒光顯微鏡數據創建了含有這些錯誤折疊的蛋白質包裹體的細胞的三維圖像。

他們發現，細胞質內含物確實如預期的那樣被推入液泡。但核包裹體的路線卻令人驚訝。核內含物直接從細胞核進入兩層膜交界處的空泡。利用一系列的遺傳實驗，研究小組表明ESCRT II/III和Vps4蛋白促進了這種發芽進入液泡的行動。眾所周知，這些蛋白能使膜彎曲和”發芽”，或在其他過程中形成新的囊泡，但還沒有被研究為有助於清除細胞核中的受損蛋白。它們可能是錯誤折疊的蛋白質疾病的有吸引力的治療目標。

最後，利用pH值敏感的標籤，研究小組實際跟踪了進入液泡的包裹體。在此能夠看到這些錯誤折疊的蛋白質進入空泡，並表明這確實是一條新的途徑。

對老化的關注

該團隊在酵母細胞中進行了這些實驗，酵母細胞易於生長和快速繁殖。下一步是調查這種途徑是否在哺乳動物細胞中被用來清除人類疾病相關的蛋白質。

另一個下一步是確定細胞核和細胞膜之間的交流是如何沿著該途徑發生的，還有一個步驟是看該途徑如何受到衰老的影響。

桑塔格說：”有很多證據表明，這個處理錯誤折疊的蛋白質的過程會隨著年齡的增長而減慢。因此，隨著時間的推移，老化的細胞不能像以前那樣快速或有效地清除所有的垃圾，錯誤折疊的蛋白質在細胞內積累得越來越多。”

“核和細胞質的質量控制途徑通過核包膜進行溝通，這種結構因衰老和神經退行性疾病而受損，”弗萊曼說。”許多導致過早衰老的早衰症突變體會扭曲核包膜。這項工作真的是改變了遊戲規則，最終帶來了一種新的方式來理解，從而治愈影響越來越多老年人口的各種可怕的疾病”。