中科院生物與化學(xué)交叉研究中心在分子伴侶調(diào)控?zé)o膜細(xì)胞器動(dòng)態(tài)組裝方面取得研究進(jìn)展
蛋白質(zhì)的相分離在多種執(zhí)行重要生物學(xué)功能的無膜細(xì)胞器動(dòng)態(tài)組裝中起到關(guān)鍵作用。在疾病條件下，蛋白質(zhì)相分離調(diào)控的紊亂會(huì)直接導(dǎo)致蛋白的液-固相轉(zhuǎn)化和不可逆的蛋白致病聚集。該過程與多種神經(jīng)退行性疾病如肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）密切相關(guān)。然而，目前對(duì)于蛋白相分離穩(wěn)態(tài)在不同無膜細(xì)胞器中是如何被精密調(diào)控的研究還比較匱乏。近日，中國(guó)科學(xué)院生物與化學(xué)交叉研究中心劉聰課題組及方燕姍課題組與上海交通大學(xué)的合作者發(fā)現(xiàn)了一類維持無膜細(xì)胞器中蛋白穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵分子伴侶Hsp40。其自身具有較強(qiáng)的相分離能力，并能夠與無膜細(xì)胞器中的蛋白發(fā)生協(xié)同相分離，在維持蛋白質(zhì)高度動(dòng)態(tài)的相分離中起到關(guān)鍵的作用。相關(guān)工作發(fā)表于Proc Natl Acad Sci USA.
分子伴侶（熱休克蛋白）廣泛參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持。研究表明不同的熱休克家族蛋白存在于多種無膜細(xì)胞器中，如應(yīng)激顆粒 (SGs) 中鑒定出Hsp40、Hsp70、Hsp90等。然而，對(duì)于分子伴侶在無膜細(xì)胞器動(dòng)態(tài)組裝中的作用仍然缺乏研究。在本工作中，研究者發(fā)現(xiàn)調(diào)控蛋白相分離的一類重要分子伴侶Hsp40。該研究首次發(fā)現(xiàn)分子伴侶自身具有相分離能力，并能通過自身相分離參與到不同無膜細(xì)胞器的組裝以及穩(wěn)態(tài)維持中。本工作對(duì)于分子伴侶在無膜細(xì)胞器穩(wěn)態(tài)的維持，以及蛋白分相調(diào)控紊亂與疾病關(guān)系的研究都具有重要的意義。
Hsp40 家族蛋白種類繁多，可分為三類亞型：I型、II型、III型，這三類亞型均包含參與Hsp70 ATP水解的J domain。除了J domain，I型與II型蛋白的氨基端 (NTD) 還具有甘氨酸/苯丙氨酸富集的柔性區(qū)域——G/F 區(qū)域，在羧基端 (CTD) 還具有底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域。本研究發(fā)現(xiàn)，Hsp40 的I型與II型蛋白成員— Hdj2與Hdj1在體外均具備較強(qiáng)的相分離能力，并且在細(xì)胞內(nèi)存在于不同的無膜細(xì)胞器中。其中 Hdj2定位于細(xì)胞核內(nèi)的核仁中，而Hdj1則定位于泛素化富集的核小體中。在壓力刺激下兩者均會(huì)參與到細(xì)胞質(zhì)SGs的形成中。進(jìn)一步機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，柔性G/F 區(qū)域中的多個(gè)苯丙氨酸及精氨酸殘基對(duì)Hsp40的分相及其參與SGs的組裝至關(guān)重要。G/F區(qū)域在不同亞型以及不同種屬的Hsp40蛋白中廣泛存在，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證含有G/F區(qū)域的酵母Hsp40蛋白Sis1與Ydj1均具有較強(qiáng)的相分離能力。因此，相分離可能為Hsp40家族不同成員所共有的屬性。
Hsp40 家族蛋白在調(diào)控細(xì)胞蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要的作用，其功能缺失與多種疾病發(fā)病密切相關(guān)。Hsp40基因突變?cè)?ALS、帕金森癥 (PD) 等多種神經(jīng)退行性疾病中被發(fā)現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)Hdj1能夠與ALS重要致病蛋白FUS發(fā)生協(xié)同相分離，穩(wěn)定FUS在高度動(dòng)態(tài)的液-液相分離狀態(tài)，并抑制FUS的致病性液-固相轉(zhuǎn)化，從而維持細(xì)胞內(nèi)的蛋白內(nèi)穩(wěn)態(tài) (圖)。進(jìn)一步機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)Hdj1通過其NTD中的精氨酸以及苯丙氨酸殘基分別介導(dǎo)與FUS-LC (1-163aa) 和FUS-RGG (371-526aa) 的相互作用及協(xié)同共分相。進(jìn)一步，通過其CTD的底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域抑制液-液相分離狀態(tài)中的FUS進(jìn)一步進(jìn)行液-固相轉(zhuǎn)變。需要特別指出的是，不同的分子伴侶在無膜細(xì)胞器動(dòng)態(tài)組裝和解離的多個(gè)不同階段中很可能存在不同的作用。對(duì)于多個(gè)不同分子伴侶協(xié)同或者分段調(diào)控?zé)o膜細(xì)胞器的機(jī)制研究將是本領(lǐng)域接下來的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。
圖 Hsp40 參與無膜細(xì)胞器形成及其穩(wěn)態(tài)維持示意圖
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