這項研究打破細胞-結構生物學邊界，看見「漸凍人」細胞內病變的結構基礎

低複雜度蛋白質聚集是神經退行性病變的重要標誌。現在，一份此種聚集的高解析度結構快照史無前例地呈現在我們面前，揭示出這些蛋白質對重要細胞功能的破壞。

撰文 Laura Pontano Vaites & J. Wade Harper

翻譯 寒雨

審校 趙維傑 郭強

3D cryo-ET使用電子顯微鏡從不同角度對一個超薄、冷凍、含水的細胞切片進行觀察，並由此重構出三維立體圖像。作者利用3D cryo-ET實現了神經元的可視化，這些神經元經過遺傳改造，表達包含175個或73個拷貝的poly-GA片段。這些片段帶有綠色熒光蛋白標籤，可以被光學顯微鏡精確定位。在體內，C9orf72擴增需要很長時間來形成poly-GA片段，而這些工程蛋白可以有效地對內源poly-GA片段進行模擬。作者發現，poly-GA蛋白呈高度簇狀，由厚度相對均勻，但長度和寬度存在差異的紐帶結構組成並時常具有二叉狀分支結構，這一結果與先前常規電子顯微鏡的體外觀察結果相似6。

這項工作不僅觀察了細胞中poly-GA聚集的詳細結構，而且將poly-GA結構與poly-Q結構進行了比較。Poly-Q是另一種基因異常擴增形成的聚集，可導致另一種神經退行性疾病：亨廷頓病。2016年，該研究組已經完成了對其結構的3D cryo-ET分析7。這種比較揭示出的結構差異，可以幫助研究者對兩種聚集致病機制的差異進行解讀。

首先，兩種聚集本身的結構是不同的。poly-Q形成纖維狀聚集，與poly-GA聚集相比，它很少分支，緻密程度也更低7。

為什麼會發生這種阻滯？在重建的斷層圖像中，作者在poly-GA紐帶和蛋白質RAD23與蛋白酶體的結合位點之間發現了許多有電子密度分布的區域。 RAD23參與將泛素標記的蛋白底物募集到蛋白酶體的過程，並且會在poly-GA聚集中富集8。由此推斷，這些電子密度可能代表著與聚集內RAD23結合的泛素化標記的蛋白底物。研究者尚不清楚「噎住」蛋白酶體的究竟是哪些蛋白，但poly-GA片段本身很可能就是其中之一，並通過這種途徑直接導致了蛋白酶體活性的降低。不管具體機制如何，細胞內蛋白酶體活性的降低都會對蛋白質降解途徑有害，並由此導致細胞毒性。

這些結果又引出了幾個需要回答的重要問題。

首先，由C9orf72擴增誘發的ALS被認為與poly-GA聚集形成以及C9orf72蛋白產物的減少都有關係，但這兩種機制所造成的影響各有多大？C9orf72蛋白參與形成細胞自噬相關的複合物12。細胞自噬是細胞內蛋白質等組分被降解和循環利用的過程。因此，C9orf72蛋白水平的降低可能與poly-GA依賴的蛋白酶體抑制共同增加了神經元毒性。

其次，poly-GA聚集對其他蛋白質的捕獲是否也會增加細胞毒性？在poly-GA聚集中富集的自噬相關蛋白p62就是進一步的研究對象之一8。

第三，與聚集解聚相關的幾種分子機器都沒有在poly-GA結構中富集，其原因尚不清楚。

最後，poly-GA是由C9orf72擴增產生的表達量最高的重複序列蛋白，但不是唯一一種——突變也可以產生甘氨酸-精氨酸（poly-GR）和脯氨酸-精氨酸（poly-PR）聚集。這些其他聚集的結構與poly-GA相比如何？大多數關於poly-GR和poly-PR聚集的既有數據認為它們不會纏結蛋白酶體，這意味著它們通過其他機制產生毒性13,14。

進一步的3D cryo-ET研究，以及對於C9orf72插入突變序列的天然翻譯產物，而非本研究中使用的構建蛋白產物進行深入分析，可能會澄清患者體內聚集與研究中使用的模型聚集之間的異同。

概括而言，此項工作以前所未有的解析度，使用3D cryo-ET實現了對細胞內基本進程的可視化觀測11。此外，它為理解聚集相關神經退行性疾病的複雜機制奠定了新的基礎。

參考資料

1. DeJesus-Hernandez, M. et al. Neuron 72, 245–256 (2011).

2. Taylor, J. P., Brown, R. H. Jr & Cleveland, D. W. Nature 539, 197–206 (2016).

3. Yamakawa, M. et al. Hum. Mol. Genet. 24, 1630–1645 (2015).

4. Zhang, Y.-J. et al. Acta Neuropathol. 128, 505–524 (2014).

5. Guo, Q. et al. Cell 172, 696–705 (2018).

6. Beck, M. & Baumeister, W. Trends Cell Biol. 26, 825–837 (2016).

7. Chang, Y.-J., Jeng, U.-S., Chiang, Y.-L., Hwang, I.-S. & Chen, Y.-R. J. Biol. Chem. 291, 4903–4911 (2016).

8. Bauerlein, F. J. B. et al. Cell 171, 179–187 (2017).

9. Wehmer, M. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 1305–1310 (2017).

10. Chen, S. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 12991–12996 (2016).

11. Amick, J. & Ferguson, S. M. Traffic 18, 267–276 (2017).

12. May, S. et al. Acta Neuropathol. 128, 485–503 (2014).

13. Lin, Y. et al. Cell 167, 789–802 (2016).

14. Lee, K.-H. et al. Cell 167, 774–788 (2016).

文章來源

版權聲明：

2018 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All Rights Reserved

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！