近日，美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的研究人員進行了一項具有里程碑意義的研究；

該研究揭示了名為TRiC的微型細胞機器如何指導微管蛋白的摺疊

——微管蛋白是一種人類蛋白質，是微管的組成部分；而微管充當著細胞的支架和運輸系統。

到目前為止，科學家們認為TRiC和類似的細胞機器（又被稱為伴侶蛋白）僅被動地提供了一個有利於摺疊的環境，而它們本身並不直接參與蛋白質摺疊。研究人員估計，我們細胞內有高達10%的蛋白質會從這些小腔室中得到實際的幫助，摺疊成最終的活躍形狀。

該研究的主要作者、斯坦福大學教授Judith Frydman表示，許多依靠TRiC微型細胞機器來進行摺疊的蛋白質與人類疾病密切相關——包括癌症、諸如帕金森綜合徵和阿爾茲海默症等在內的神經退行性疾病；

事實上，許多抗癌藥物旨在破壞微管蛋白及其形成的微管（這對細胞分裂非常重要），因此，靶向由TRiC輔助的微管蛋白摺疊過程是一種十分具有吸引力的抗癌策略。

12月8日，該研究團隊於《細胞》（Cell）雜誌發表了題為“Structural visualization of the tubulin folding pathway directed by human chaperonin TRiC/CCT（由人伴侶蛋白TRiC/CCT指導的微管蛋白摺疊途徑的結構視覺化）”的研究論文，

報告了他們長達十年的研究結果。

https：//www。cell。com/cell/fulltext/S0092-8674（22）01457-X？_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub。elsevier。com%2Fretrieve%2Fpii%2FS009286742201457X%3Fshowall%3Dtrue

將義大利麵摺疊成花朵

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蛋白質在某個細胞所進行的幾乎所有活動中都起著至關重要的作用；發現它們如何摺疊成最終的3D狀態是化學和生物學中最重要的任務之一。

正如Chiu所說，“蛋白質最初是一串氨基酸，看起來像義大利麵條；在摺疊成形狀恰到好處的“花朵”之前，它們無法發揮作用。

自19世紀50年代中期以來，我們對蛋白質摺疊方式的描繪是由美國國立衛生研究院（NIH）研究員Christian Anfinsen使用小蛋白質進行的實驗所塑造的。Christian Anfinsen發現，如果他展開了一個小蛋白質，該蛋白質會自發地彈回相同的形狀；他得出結論，這樣做的方向被編碼在蛋白質的氨基酸序列中。Anfinsen因這一發現分享了1972年諾貝爾化學獎。

三十年後，研究人員發現了專門的細胞機器幫助蛋白質摺疊；但普遍的觀點是，這些細胞機器的功能僅限於透過保護蛋白質不被困住（trapped）或粘附在一起（glomming）來幫助蛋白質進行自發摺疊。

一種稱為伴侶蛋白的輔助機器包含一個桶狀腔室，在蛋白質摺疊時將蛋白質固定在裡面——TRiC屬於這一類。TRiC腔室的獨特之處在於它由八個不同的亞基組成，形成兩個堆疊的環。一條細長的微管蛋白鏈透過形狀像水母的輔助分子被輸送到腔室的開口中；然後腔室的蓋子關閉並開始摺疊。摺疊完成後，蓋子開啟，完成的摺疊微管蛋白離開。

由於微管蛋白不能在沒有TRiC的情況下摺疊，因此TRiC似乎不僅僅是被動地幫助微管蛋白自發摺疊。但這究竟是如何工作的呢？這項新研究回答了這個問題，並證明了至少對於微管蛋白而言，“自發摺疊”概念不適用。相反，TRiC直接協調了導致正確形狀蛋白質的摺疊途徑。

Frydman表示，儘管人工智慧（AI）的最新進展可以預測大多數蛋白質的成品摺疊結構，但AI並沒有顯示蛋白質如何獲得正確的形狀——這些知識是控制細胞摺疊和開發摺疊疾病療法的基礎。

為了實現這一目標，研究人員需要弄清楚在細胞中，摺疊過程發生的詳細步驟。

一種名為TRiC的細胞機器的插圖，它指導微管蛋白的摺疊（TRiC中心的黃色纏結）。

微管蛋白是微管的蛋白質構建塊，微管在人體細胞中形成支架和運輸系統。SLAC和斯坦福大學的研究人員發現TRiC室指導微管蛋白摺疊，這挑戰了70年前蛋白質如何在我們細胞中摺疊的理論，並對治療與蛋白質錯誤摺疊相關的疾病具有深遠的意義。

圖片來源：格雷格·斯圖爾特/SLAC 國家加速器實驗室

細胞室的重要角色

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十年前，Frydman和Chiu，以及他們的研究團隊決定深入研究TRIC腔室中發生的事情。科學家們發現，這個獨特的腔室內部以兩種方式指導摺疊過程。

當腔室的蓋子在蛋白質上關閉時，靜電荷區域出現在其內壁上。它們吸引微管蛋白鏈中帶相反電荷的部分，並基本上將它們粘在牆上，為下一步摺疊創造適當的形狀和配置。同時，懸掛在腔室壁上的TRiC亞基“尾巴”在特定時間和地點抓住微管蛋白以錨定和穩定它。

首先，微管蛋白鏈的一端鉤入牆上的一個小口袋。然後另一端連線到不同的位置並摺疊。現在，鉤在牆上的末端以一種摺疊的方式摺疊，使其緊挨著第一個摺疊區域。在第三步中，中間部分的一部分摺疊形成蛋白質的核心，以及GTP（一種儲存和釋放能量以推動細胞工作的分子）可以插入的口袋。最後，剩餘的蛋白質切片摺疊。微管蛋白分子現在已經準備好發揮作用了。

“在以前，這些摺疊序列中中間階段的結構快照從未透過冷凍電子顯微鏡被觀測到。”Frydman說。

技術的強大組合

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Frydman教授團隊透過一系列具有挑戰性的生化和生物物理測試證實了摺疊序列，這些測試需要多年的工作。解釋這些結果使研究人員能夠構建微管蛋白在TRiC室內摺疊時不斷變化的形狀的圖片，這與冷凍電鏡生成的影象相匹配。

該研究還為了解這種摺疊系統如何在真核細胞中進化提供了線索。真核細胞構成了植物，動物和人類，而不是在細菌和古細菌等更簡單的細胞中進化。研究人員建議，隨著蛋白質變得越來越複雜，以滿足真核細胞的需求，在某些時候，如果沒有一點幫助，它們就無法摺疊成執行更復雜的工作所需的形狀。真核蛋白質及其伴侶蛋白室可能是一起進化的，可能始於大約27億年前所有真核生物的最後一個共同祖先。

Judith Frydman 教授表示：“能夠在這些技術之間來回切換是非常強大的，因為這樣你就可以真正知道你所看到的反映了細胞中發生的事情。科學讓我們感到驚訝，提出了一個我無法預測的非常有趣的解決方案。”

參考資料：

https：//www。news-medical。net/news/20221209/Landmark-study-challenges-a-70-year-old-theory-of-protein-folding。aspx

https：//www。cell。com/cell/fulltext/S0092-8674（22）01457-X？_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub。elsevier。com%2Fretrieve%2Fpii%2FS009286742201457X%3Fshowall%3Dtrue

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