蛋白質加工新認知或對阿爾茨海默病及部分癌癥的研究產生重要影響

2025-06-09 15:01

一項新發現揭示了蛋白質加工過程中的兩種酶如何協同工作以處理蛋白質，并可能對研究諸如與神經退行性病變相關的疾病產生影響。

洛克菲勒大學

6月5日

健康細胞不斷分解蛋白質，并在一種名為“解折疊酶”（Unfoldases）的酶類幫助下構建新的蛋白質，因為它們能解開那些被標記為需要銷毀或回收的蛋白質。現在，洛克菲勒大學（Rockefeller University）的一項新的電子顯微鏡研究展示了 VCP （一種這樣的解折疊酶）如何與稱為“去泛素化酶”（DUB）的標簽去除酶進行物理相互作用。這些發現揭示了這兩種酶如何協同工作以處理蛋白質，并可能對研究諸如與神經退行性病變相關的疾病產生影響。研究結果于近日發表在《細胞生物學雜志》（Journal of Cell Biology）上。

研究于2025年5月5日發表在《Journal of Cell Biology》（最新影響因子：7.3）雜志上

“ VCP 功能障礙與神經退行性疾病有關，例如阿爾茨海默病，”第一作者 Lauren Vostal 說，她是 Tarun Kapoor 實驗室的研究生，現為勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim，一家德國制藥公司）的高級科學家，“能夠親眼觀察到 VCP 和 DUB 之間的物理接觸，可以為我們深入了解這兩種酶如何協調以調控蛋白質降解提供線索。”

解折疊與切割

細胞通過一系列協調機制來維持蛋白質穩態（Proteostasis），即蛋白質數量的一種精細平衡，以確保蛋白質合成和降解的速率保持同步。由于某些蛋白質必須先解折疊才能被降解，因此像 VCP 這樣的解折疊酶在這個系統中起著至關重要的作用。一旦一個蛋白質被標記為需要降解或回收，VCP 就會將這個待降解的蛋白質穿過其中心孔。在那里，如果該蛋白質注定要被回收，它必須失去其功能性標簽，如果要被銷毀，則至少需要保留部分標簽的完整性。

研究人員長期以來一直懷疑 DUB 在去除這些標簽中發揮作用。但是，盡管先前的研究已經詳細描述了底物如何被穿行通過 VCP，但最后一步（VCP如何與DUB相互作用以協調這最后的“修剪”）仍然是個謎。

“這些酶之間的精確溝通是必要的，” Kapoor 說，“如果標簽在解折疊之前就被去除，會阻止任何蛋白質處理。因此，理解這一點對我們很重要。”

Kapoor、Vostal 及其同事們認識到，對 VCP 與一種 DUB 形成的復合物進行成像，將是弄清楚 VCP 如何協調蛋白質降解的關鍵一步，考慮到 VCP 在癌癥中過度表達并在神經退行性疾病中發生突變，這是一個緊迫的問題。如果該系統的失調與蛋白質聚集疾病有關，那么更好地理解其結構和機制將有助于研究人員設計靶向藥物。

蛋白質處理模型

為了獲得 VCP-DUB 相互作用的結構模型，該團隊使用單分子質譜光散射（Single-molecule mass photometry）技術證明，在溶液中，VCP 與一種名為 VCPIP1 的 DUB 形成了穩定的復合物。這項技術特別有用，因為它能讓團隊評估結合強度、化學計量（Stoichiometry）以及特定突變或截短的影響。“這種質譜光散射方法尚未廣泛使用，但它確實是一項新興技術，” Vostal 說，“這是一個易于掌握的工具，它提供的結果是我們用其他方法無法如此快速或清晰地獲得的。”

隨后，該團隊轉向冷凍電子顯微鏡（Cryo-electron microscopy）和一系列生化分析（Biochemical assays），進一步分析了 VCP 與 VCPIP1 之間的相互作用，最終獲得了該復合物的兩種結構，并證明在 VCP 存在的情況下，VCPIP1 的 DUB 活性會被激活。

一個關于 VCP 和 DUB 如何聯合調控蛋白質處理的模型開始浮現。最多三個 VCPIP1 分子可以結合到一個 VCP 六聚體上，將其催化位點精確地定位在 VCP 中心孔的正下方，這正是解折疊蛋白質穿出的地方。這是一個完美的安排：VCP 負責解折疊，而 VCPIP1 只在此步驟之后才修剪標簽。

更妙的是，VCP 甚至能夠在不消耗 ATP 能量的情況下激活 VCPIP1，這表明僅憑它們的物理相互作用就足以提升酶活性。研究團隊還發現，當第三個 VCPIP1 分子結合到 VCP 上時，它會重塑復合物結構，為折疊的標簽騰出空間，這是關鍵的一步，因為 VCPIP1 只能在標簽穿過中心孔后重新折疊才能對其進行切割。

VCP（藍色和紫色）與三個 VCPIP1 啟動子（紅色、橙色和黃色）結合的三維冷凍電鏡結構

這是一個引人注目的框架，可能對靶向蛋白質聚集疾病（如阿爾茨海默病）的藥物開發產生影響。但該模型尚未得到完全證實。Kapoor 及其同事們目前只觀察了這兩種酶在無標記底物存在時的相互作用。在未來的研究中，他們計劃加入 VCP 通常需要解折疊的那種蛋白質，以觀察在真正執行任務時，VCP-VCPIP1 復合物是否仍按預測的方式工作。

“既然我們現在知道了 VCP 和 DUB 之間可以發生這種相互作用，那么當 DUB 結合時，底物還能結合嗎？” Vostal 問道，“這就是下一個基礎研究問題。”

創立于1901年的洛克菲勒大學

參考文獻

Source：Rockefeller University

New understanding of protein processing could have implications for Alzheimer’s and some cancers

Reference：

Lauren E. Vostal, Noa E. Dahan, Matthew J. Reynolds, Lily I. Kronenberg, Tarun M. Kapoor; Structural insights into the coupling between VCP, an essential unfoldase, and a deubiquitinase. J Cell Biol 5 May 2025; 224 (5): e202410148. doi: https://doi.org/10.1083/jcb.202410148

原文標題 : 蛋白質加工新認知或對阿爾茨海默病及部分癌癥的研究產生重要影響