Nature：揭示伴侶蛋白ClpB清理有毒蛋白聚集物機制

　　細胞如何解開聚集在一起的蛋白？在一項新的研究中，來自荷蘭國家原子分子研究所（AMOLF）和德國癌癥研究中心的研究人員如今發現伴侶蛋白ClpB可強行拉開蛋白鏈中暴露的環狀結構（loop），隨后將它們從蛋白聚集物中拉取出來。相關研究結果于2020年1月29日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Processive extrusion of polypeptide loops by a Hsp100 disaggregase”。

圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1964-y。

　　蛋白是在體內進行折疊的氨基酸長鏈。它們在細胞中執行許多功能，但只有在它們正確折疊后才能做到這一點。但是，錯誤折疊可能會導致蛋白聚集物---類似于纏結物的蛋白團塊---形成，可進一步破壞細胞。蛋白聚集與衰老、阿爾茨海默病和其他醫學疾病有關。

　　ClpB是細胞中的分子清潔機

　　有機體為這些蛋白團塊提供清理服務：一組稱為伴侶蛋白的蛋白。眾所周知，Hsp100伴侶蛋白家族可以重新溶解蛋白聚集物，而ClpB就是這個伴侶蛋白家族的一員。但是它的內在機制從未被直接測量過。面臨的主要挑戰是如何可視化觀察所有這些蛋白及其運動，它們的運動在非常小的尺度（納米）上發生，并且是高度隨機的。

　　荷蘭國家原子分子研究所的Mario Avellaneda和Sander Tans以及德國癌癥研究中心的Bernd Bukau和Axel Mogk解決了這個問題。他們的研究揭示了這些伴侶蛋白如何解開這些聚集在一起的蛋白鏈。

　　Tans說，“我們發現環狀的ClpB蛋白強行將蛋白鏈中的環狀結構拉過它的中心孔。這些蛋白鏈中的環狀結構存在于蛋白聚集物的表面上。但是，這些蛋白團塊太大而無法通過這個中心孔。因此，通過這種拉動作用，ClpB可以從較大的蛋白聚集物中拉取出單個蛋白鏈。一旦移除，這個蛋白鏈可以再次折疊并正常發揮功能。通過一次一個地拉出所有蛋白，這種伴侶蛋白可以完全解開整個蛋白聚集物。”

　　用光進行拉取

　　這些研究人員通過使用光學鑷子抓住蛋白鏈的兩個末端來實現這一點。光學鑷子是聚焦的激光束，可以捕獲和操縱塑料圓形珠子或玻璃圓形珠子。盡管比蛋白大1000倍，他們卻可以在一種蛋白鏈的兩個末端連接這類珠子，從而非常精確地操縱它。通過以這種方式測量一種蛋白鏈的長度，他們可以知道它是被拉伸還是被壓縮和折疊。

　　在將伴侶蛋白ClpB添加到一種被拉伸的蛋白鏈中之后，這些研究人員發現這種蛋白鏈的兩個末端之間的距離逐漸變短，直到這兩個末端緊挨著。這一令人驚人的觀察結果表明這種蛋白鏈被拉著通過了環形的ClpB。他們認為，當這種蛋白鏈以環狀結構穿過ClpB的中心孔時，它的兩個末端確實會被拉在一起。其他實驗也證實了這一想法。比如，當通過引入突變對這個中心孔的內部進行修飾時，類似馬達的拉動活動被取消了。

　　可視化觀察ClpB

　　這種蛋白鏈環狀結構拉出從未在任何蛋白中觀察到。因此，為了進一步進行測試，這些研究人員開發了一種不同的方法：通過將一種熒光分子連接到伴侶蛋白ClpB上來追蹤這種伴侶蛋白如何在蛋白鏈上移動。最初，他們對此表示懷疑，這是因為這些運動比熒光成像所需的光波長要小。當這些微小的運動確實可見時，他們感到十分吃驚。

　　這些研究人員發現ClpB最初附著在一種被拉伸的蛋白鏈的隨機位置上。ClpB隨后可以將這種蛋白鏈的左末端拉向自身，也可以將它的右末端拉向自身，或者將它的兩個末端拉向自身。這種蛋白鏈的環狀結構的兩個臂因此就可以同時被拉著通過環形的ClpB。Tans說，“我們知道將一根雙線穿過針眼是多么困難。ClpB能夠使用存在于中心孔中的稱為孔環（pore loop）的微型驅動桿來實現這一壯舉。通過使用細胞產生的ATP燃料分子，ClpB可以像小手指一樣上下移動這些驅動桿。這接著使得氨基酸鏈穿過環形的ClpB。這些驅動桿的確切作用機制尚不清楚。但是，我們發現它們可以突然發作：首先，幾個驅動桿連續推動，然后停頓，然后再次推動，等等。很可能需要停頓才能讓新的ATP分子結合。”

　　快速而又高效

　　Tans說，關于這些ClpB解開蛋白聚集物的作用原理有許多相互矛盾的觀點。“一種觀點是，許多ClpB以隨機的方式結合著蛋白聚集物的粘性部分，有點像溶解脂肪的肥皂分子。其他研究已表明一個蛋白鏈的一個片段最多只適合于ClpB通道，而且出于這種原因，這個蛋白鏈的環狀結構并不適合。我們如今證實ClpB強行拉動。這種伴侶蛋白的作用原理就像是一個馬達，通過拉動暴露的蛋白鏈環狀結構來解開蛋白聚集物。它一直保持拉動直到這個蛋白鏈被完全拉出。”

　　Tans和他的同事們的下一步將是研究人伴侶蛋白和其他蛋白。誘人的是，這項研究有可能導致人們開發出治療阿爾茨海默病的藥物。Tans說，“原則上，你可以開始考慮這些事情。但是，在實踐中，這遠不那么簡單。在開始進行臨床應用之前，我們需要更好地了解這些分子清潔機器如何在細胞環境中發揮作用。下一步是研究ClpB如何受到調控，這是因為它也可能通過拉動正常蛋白而引起損害。”

　　Tans說，ClpB可以拉動蛋白鏈環狀結構的事實表明其他蛋白可能也在其他細胞過程中做同樣的事情。“比如，細胞持續降解受損的蛋白以產生新的蛋白，換句話說，這就是細胞的循環經濟。這如今可以使用我們的方法進行研究。”

　　參考資料：

　　1.Mario J. Avellaneda et al. Processive extrusion of polypeptide loops by a Hsp100 disaggregase. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1964-y.

　　2.Molecular machine tears toxic protein clumps apart

　　https://phys.org/news/2020-01-molecular-machine-toxic-protein-clumps.html