哈佛医学院的研究人员发现了一种名为midnolin的蛋白质如何在降解许多短寿命的细胞核蛋白质中起关键作用。他们的研究表明，midnolin通过直接抓取这些蛋白质并将它们拉入细胞废物处理系统，也就是蛋白酶体，进行销毁。虽然细胞通常会使用小分子泛素给蛋白质打标签，以标记其为蛋白酶体销毁的目标，但这项新报道的研究发现，midnolin-蛋白酶体机制绕过了这个经典的泛素化系统。
由于被这一新鉴定的过程分解的蛋白质调节与大脑、免疫系统和发育等重要功能有关的基因，科学家最终可能能够将这一过程作为调控蛋白质水平、改变这些功能并纠正任何功能障碍的方法。“这些特定的短寿命蛋白质已经被人们了解了40多年，但没有人确定它们是如何被降解的，”哈佛医学院神经生物学研究员辛顾博士表示。“我们发现的机制非常简单而又相当优雅，”哈佛医学院遗传学博士候选人克里斯托弗·纳多恩评论道。“这是一项基础科学发现，但对于未来有许多意义。”
古、纳多恩及其同事是共同第一作者，他们在一篇题为“midnolin-蛋白酶体途径通过泛素化独立降解蛋白质”的论文中发表了他们的发现。在这篇论文中，他们得出结论：“我们的研究表明，midnolin-蛋白酶体途径可能代表了一种一般性机制，藉此蛋白酶体绕过经典的泛素化系统，实现对许多关键转录所需的核蛋白质的选择性降解。”
这些短寿命蛋白质在细胞中控制基因表达，以执行许多重要任务，从帮助大脑建立连接，到帮助身体进行免疫防御。这些蛋白质在细胞核中生成，并一旦完成任务就会迅速被销毁。然而，尽管这些蛋白质的重要性，科学家几十年来一直无法理解它们完成任务后如何被分解和从细胞中清除的过程。
已经确立，细胞可以通过给蛋白质打上泛素标签来分解它们。这个标签告诉蛋白酶体不再需要这些蛋白质，然后蛋白酶体销毁它们。然而，有时蛋白酶体会在没有泛素标签的情况下分解蛋白质，这指向存在另一种独立于泛素化的蛋白质降解机制。“文献中零星的证据表明，蛋白酶体可以在没有标记的蛋白质上直接进行降解，但没有人理解这是如何发生的，”纳多恩说道。
一组似乎通过另一种机制被分解的蛋白质是刺激诱导的转录因子。这些蛋白质是对细胞刺激做出反应后产生的，并前往细胞核以打开基因，之后它们会迅速被销毁。“在哺乳动物中，对生长因子、神经元和免疫刺激的转录反应是由一组名为即早基因（IEG）的基因介导的，”作者指出。“IEG mRNA在初始刺激后的几分钟内积累，一旦翻译，它们的蛋白质会迅速降解，以允许短暂的蛋白质表达爆发。”古补充说道：“最初吸引我注意力的是这些蛋白质极不稳定，它们的半衰期非常短，一旦它们被产生出来，就会执行它们的功能，然后很快被降解。”
这些转录因子在身体中支持各种重要的生物过程，然而，即使经过几十年的研究，“它们的降解机制在很大程度上仍然是未知的，”迈克尔·格林伯格指出，他是哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所神经生物学的纳森·马歇尔·普塞教授，也是与斯蒂芬·埃莱奇共同担任论文的共同主要作者。作者继续表示，“尽管对IEG转录的调控机制已经得到了很好的表征，但IEG蛋白质如何迅速成为目标以进行降解在多年来一直是个谜 … IEG蛋白质如何被降解仍然不清楚。”
为了确定这些蛋白质完成任务后是如何被分解的机制，研究团队专注于两个熟悉的转录因子：Fos和EGR1。Fos在学习和记忆方面发挥着重要作用，由格林伯格实验室进行了大量研究；而EGR1参与细胞分裂和存活。他们写道：“我们假设存在一个细胞途径专门用于快速降解c-Fos和其他IEG蛋白质。”
该团队进行了基因组范围的CRISPR-Cas9筛选，以寻找调节IEG蛋白质稳定性的基因，使用人类细胞系进行实验并设计了一个报告基因。筛选结果中排名靠前的是MIDN基因，该基因在哺乳动物中编码了基本未知的midnolin蛋白质。研究团队通过验证在人类细胞系中敲除MIDN会增加EGR1和FosB稳定性来确认筛选结果的准确性。有趣的是，他们发现过度表达midnolin会降低cFos、FosB和EGR的水平。
后续实验揭示，除了Fos和EGR1之外，midnolin还可能参与核内的数百种其他转录因子的降解。研究人员指出：“通过功能增益遗传筛选，我们确定了一个潜在的midnolin靶蛋白大群，这些蛋白主要富集在核蛋白质中，特别是转录调节因子，这表明midnolin广泛地促进核内蛋白质的降解，而midnolin本身主要位于核内。”
古和纳多恩回忆起他们对这些结果感到震惊和怀疑。为了确认他们的发现，他们决定需要弄清楚midnolin如何准确地针对并降解如此多不同类型的蛋白质。“一旦我们确定了所有这些蛋白质，就会有许多关于midnolin机制实际如何工作的困惑问题，”纳多恩说道。
在一种名为AlphaFold的预测蛋白质结构的机器学习工具的帮助下，结合一系列实验室实验的数据，该团队能够详细说明这一机制的细节。“为了了解midnolin与蛋白酶体及其众多底物的相互作用，我们使用AlphaFold获得了midnolin的预测结构，这揭示了三个具有定义结构的自信预测和高度保守的区域，”他们写道。研究人员称midnolin的其中一个区域为“抓取区域”，因为它代表了midnolin蛋白质的一部分，可以有效地抓住其他蛋白质并将其直接送入蛋白酶体，在那里它们会被分解。该团队发现，抓取区域由两个由氨基酸连接的不同区域组成。有趣的是，他们指出：“删除折叠在一起形成抓取区域（N-末端Catch1和C-末端Catch2亚区域）的区域会使midnolin与其底物的相互作用中断，而不会影响其与蛋白酶体结合的能力。”抓取区域可以有效地抓住蛋白质的相对不规则区域，使midnolin能够捕捉许多不同类型的蛋白质。
值得注意的是，像Fos这样的蛋白质负责打开基因，促使大脑中的神经元对刺激进行连接和重构。其他蛋白质，如IRF4，通过确保细胞能够产生功能性的B细胞和T细胞来激活支持免疫系统的基因。总结他们的发现，作者写道：“我们的结果表明，midnolin-蛋白酶体途径可能代表了一种一般性机制，藉此蛋白酶体绕过传统的泛素化系统，实现对许多核蛋白质的选择性降解。埃莱奇补充道：“这项研究最令人兴奋的方面在于，我们现在理解了一种新的泛素化独立机制，用于降解蛋白质。”
在短期内，研究人员希望深入探索这一新发现的midnolin机制。他们计划进行结构研究，以更好地了解midnolin如何捕获和降解蛋白质的细节。他们还正在创造缺乏midnolin的基因工程小鼠，以帮助深入了解这种蛋白质在不同细胞和发育阶段的作用。
然而，他们也承认，midnolin如何启动其结合蛋白质的降解过程尚未完全被认识。他们说：“midnolin如何启动结合底物的降解尚不完全理解。我们不知道midnolin是否在结合蛋白质之前与目标相互作用，还是在固定地与蛋白酶体关联，然后招募其底物，从而在核内定义新的蛋白酶体子类。”
科学家们指出，这一发现具有引人入胜的转化潜力。它可能提供了一条途径，可以利用它来控制转录因子的水平，从而调节基因表达以及与之相关的身体过程。格林伯格指出：“蛋白质降解是一个关键的过程，其失调导致许多疾病和疾病，”包括某些神经和精神障碍，以及某些癌症。
例如，当细胞中转录因子如Fos过多或过少时，可能会导致学习和记忆问题。正如作者进一步指出的：“考虑到许多IEG蛋白质被midnolin高效地定向降解，而精确的IEG表达对于学习和记忆至关重要，打断或增强midnolin功能可能会影响动物在大脑中高效地学习和存储信息的能力。”而在多发性骨髓瘤中，癌细胞对免疫蛋白质IRF4上瘾，因此其存在可以为疾病提供能量。作者补充说：“我们发现IRF4被midnolin强力地定向降解，这可能为midnolin在免疫系统中的功能提供了新的见解。”
研究人员特别感兴趣的是，能够通过midnolin-蛋白酶体途径开发疗法的疾病。他们正在积极探索如何调整这一机制的特异性，以便特异地降解感兴趣的蛋白质。古表示：“我们正在积极探索的领域之一是如何调整这一机制的特异性，使其能够特异性地降解感兴趣的蛋白质。”
编辑：王洪
排版：李丽
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