蛋白质是细胞生存的基础，也是细胞中含量最丰富的大分子, 执行细胞的大部分功能。为了实现其多种功能，蛋白质需要正确地折叠。然而，折叠过程异常复杂且容易出错。蛋白质错误折叠会引发多种疾病，包括阿尔茨海默病、糖尿病和癌症。鉴于蛋白质错误折叠的普遍性，各种生物必须依靠蛋白质质量控制（Protein Quality Control，PQC）系统来破解蛋白质的错误折叠。PQC 系统就类似于机体的蛋白质“质控系统”，负责监督体内的蛋白质正常运作。PQC 系统包括可以帮助蛋白质获得并维持其天然构象的分子伴侣、或者能够融化已经形成的蛋白沉淀的水解酶。目前已鉴定出几种 PQC 系统，但这些系统中的大多数都涉及大型蛋白质复合物，并使用 ATP 水解来执行其功能。目前尚不清楚其他系统是否可以通过不同的机制来广泛地实现蛋白质折叠。近日，宾夕法尼亚大学杨小鲁团队发现了一个新型的 PQC 系统——DAXX蛋白及其家族成员，并揭示这类蛋白具有多种促使蛋白质折叠的活性。相关研究已发表在 Nature 上。在这项研究中，他们详细阐述了 DAXX 具有 3 个核心功能——具有分子伴侣功能,可以预防单个蛋白的错误折叠和聚集形成沉淀物；具有溶酶体功能，能够溶解已形成的蛋白沉淀物；同时还可以指导错误折叠的蛋白质打开并重新折叠。与大多数目前已知的 PQC 系统不同，DAXX 可以单独作用，并且不需要来自 ATP 水解的能量。在人体细胞中有将近 50 个与DAXX相似的蛋白，它们具有广泛的功能，表明这些 PQC 体系的普遍性和多功能性。“这项发现的一个重要意义在于我们提出了一种全新的 PQC 系统，同时证明这个体系不仅可以防止和逆转与神经退行性疾病相关蛋白的沉淀，还恢复了经典抑癌基因 p53 蛋白的天然功能，增强了抑癌活性。整体来看，DAXX 为蛋白折叠相关疾病提供了全新的视野和方向，未来有潜力应用于神经退行性疾病、癌症、糖尿病等。”杨小鲁教授说。杨小鲁是宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的终身正教授，其实验室专注于分析多种疾病发病机制，寻找更好的治疗方法。研究方向集中在两个方向：一是发现并阐释蛋白质质量控制系统与多种疾病之间关系；二是深耕代谢与癌症之间的关系。值得一提的是，24 年前，杨小鲁在麻省理工学院（MIT）大卫.巴尔的摩(David Baltimore)教授实验室从事博士后研究期间发现了信号蛋白 DAXX。前些年，该团队已经发现了另外一个 PQC 系统——TRIM（metazoan tripartite motif）蛋白及其家族成员，该系统也无需 ATP 即既可防止蛋白质聚集体形成，又可溶解预先存在的蛋白质沉积物，同时还可以错误折叠蛋白质的降解。在动物试验中，显著减轻帕金森小鼠的病理、神经变性和运动缺陷。对于这些 PQC 研究的意义，杨小鲁打趣道，这就好比发现了一块“新大陆”。图丨左为通讯作者杨小鲁教授、右为第一作者黄靓倩博士（受访者提供）
发现 PQC “新大陆”
DAXX 蛋白即死亡结构域相关蛋白（death domain-associated protein），该蛋白其中的一个区域富含两种氨基酸残基——天冬氨酸（D）和谷氨酸（E），属于 polyD/E 蛋白家族的成员。自 20 多年前被发现以来，科学家们一直走在探索 DAXX 的路上。最初，DAXX 被鉴定为与细胞凋亡受体 Fas 细胞内死亡域相关的衔接蛋白，随后，又被发现与细胞凋亡和一系列细胞生长发育过程相关。“科学家们相继发现了 DAXX 具有不同的功能，我们想到 DAXX 是否具有一种促成其表现不同功能的生理活性，是否能够将这些不同的功能综合起来给出一个共同解释，”杨小鲁说，“我们推断 DAXX 可能存在这样一种活性——即与蛋白质折叠相关。”他们首先从哺乳动物细胞中纯化了重组全长 DAXX 蛋白，并在模型伴侣底物荧光素酶和与神经变性相关的易错折叠蛋白中进行了验证。在实验中，研究人员观察到，DAXX 能够防止荧光素酶受热变性，同时防止神经退化疾病相关的蛋白质，比如 β-淀粉样蛋白和 α-突触核蛋白素的错误折叠、缠结。此外，研究人员还通过体积排除色谱和化学交联实验证明了 DAXX 主要以单体形式存在。图|DAXX 可以防止蛋白质的错误折叠和聚集（来源：上述论文）紧接着，他们验证了 DAXX 对于已经形成蛋白聚集物的溶解情况，证明了 DAXX 具有蛋白分解的性质。具体来说，在实验中，无论是从细菌还是人胚胎肾细胞 HEK293T 中纯化的 DAXX 蛋白都能够溶解荧光素酶聚集物，并重新激活了变性的蛋白，将失活的荧光素酶活性提高了 5 倍多。圆二色旋光光谱分析显示，DAXX 使变性荧光素酶的核心结构几乎恢复到了天然状态。然后，研究人员利用荧光素酶突变体 LucDHis6（LucD）验证了 DAXX 具有解开错误折叠蛋白的性质，试验表明 DAXX 可以作为一种催化剂展开错误折叠的单体。除了使用模型伴侣底物外，他们还测试了与神经变性相关的易错折叠蛋白，包括帕金森病相关的突触核蛋白 (α-Syn)、阿尔茨海默病相关的 Aβ42 多肽，和脊髓小脑共济失调相关的 Ataxin-1 蛋白。他们发现 DAXX 有效地防止和逆转这些蛋白质或多肽的聚集。“在实验中，我们发现了 DAXX 具有的 3 种核心功能，一是能够作为分子伴侣防止单个蛋白结合，二是具有溶酶体作用，可以溶解已经形成的蛋白沉积物；三是，当把沉积物溶解为单个蛋白时，能够指导这些蛋白重新折叠。”杨小鲁总结道。这些功能是否可以推广应用到 polyD/E 蛋白家族的成员？polyD/E 家族蛋白于 20 世纪 70 年代首次被报道，在多种真核生物中都发现此类蛋白，该家族已知的成员有 50 多个。他们判断 DAXX 蛋白的 polyD/E 区域是 DAXX 对多种蛋白质具有折叠活性的关键位置，并验证了 polyD/E 家族其他蛋白 ANP32A 和 SET 对蛋白折叠的作用。在试验中发现，重组 ANP32A 和 SET 蛋白能够防止荧光素酶受热变性沉积，部分阻止 ATXN1(82Q)沉积。不过，与 DAXX 不同的是，ANP32A 和 SET 无法阻止 α-Syn 的纤维化。“polyD/E 蛋白可能构成一个多功能的蛋白质质量控制系统，我们为解释该家族所有成员提供了一种可能性。” 此外，该团队还揭示了 DAXX 在癌症治疗方面的潜力。他们发现 DAXX 能够有效溶解 p53 及其主要拮抗剂 MDM2 的聚集，同时还可以恢复 p53 突变体的天然构象和功能，降低致癌特性。P53 是一种肿瘤抑制基因，极不稳定，易变形沉积，在所有恶性肿瘤中，50% 以上会出现该基因的突变。总体来看，与现在已知的 PQC 系统相比，DAXX 不依赖于 ATP 指导蛋白质折叠，可能会具有更多新功能。“我们发现并阐释了一种全新的蛋白质质量控制系统 DAXX，这与以往系统的机制完全不同，就好比发现了一块新大陆，为疾病治疗提供了新思路。”
应用性研究还处于早期探索阶段
今年是该实验室从事 PQC 研究的第十个年头，同时也是该团队第一次证明了 DAXX 蛋白及其家族是一类新型的 PQC，其在机体中负责调控蛋白质折叠。这一定程度上也表明 TRIM 和 DAXX 类蛋白具有治疗与蛋白折叠相关疾病的潜力，包括神经退行性疾病、癌症、糖尿病等。
（来源：Frontiers in Oncology）
“以神经退行性疾病为例，现有针对神经退行性疾病的治疗方式主要是溶解细胞外蛋白沉淀物，而越来越多的证据显示细胞外沉淀可能并非最根本的病因。然而大部分抗体对细胞内 Tau 的聚集效果不明显，这也是抗体药物治疗有限的一个重要原因。”杨小鲁说。他告诉生辉，从事科研的最终目是治疗疾病，这项研究具有转化落地的潜力。比如说，寻找小分子提高 PQC 的功能表达，从而维持细胞内蛋白质体系的正常运行；随着机制的不断阐明，还可以研制能够模拟 DAXX 功能的小分子，这又提出了一种不同的思路。生辉了解到，目前这项研究还处于早期探索阶段，现在该研究团队的主要精力会放在深入阐述这类蛋白的工作机制。他们认为理解透彻该体系以后，才能更有的放矢地进行应用性研究。杨小鲁坦言，还有很多基本问题需要解决，包括阐明作用机制，深入分析蛋白质家族体系内成员之间的相互关系等。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03824
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