开发出新方法来重新定位细胞内错位的蛋白质

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细胞是高度受控的空间，依赖于每个蛋白质都处于正确的位置。许多疾病，包括癌症和神经退行性疾病，都与蛋白质错位有关。例如，在某些癌症中，通常监视细胞核中 DNA 复制的蛋白质被送往远离其应监视的 DNA 的地方，从而导致癌症生长。
斯坦福大学人文与科学学院化学助理教授、Sarafan ChEM-H 研究所学者 Steven Banik 及其实验室开发出一种新方法，帮助将错位的蛋白质强制送回细胞内的正确位置。该方法涉及重新连接自然穿梭机的活动，以帮助将蛋白质运送到细胞的不同部位。该团队设计出一类名为“靶向重定位激活分子”或 TRAM 的新分子，它们可以说服这些天然穿梭机携带不同的货物（例如某些癌症中从细胞核中输出的蛋白质）一起运输。该策略于 9 月 18 日发表在《自然》杂志上，可能有助于开发一种治疗方法来纠正与疾病相关的蛋白质错位，并在细胞中创造新功能。
巴尼克说：“我们正在把丢失的蛋白质带回家。”
班车和乘客
我们的细胞包含许多隔间，例如细胞核（DNA 的安全家园）或线粒体（能量产生的地方）。所有这些隔间之间是细胞质。细胞的许多位置都有蛋白质。它们负责各种动作——构建和分解分子、收缩肌肉、发送信号——但为了正常运作，它们必须在正确的位置执行各自的动作。
“细胞确实很拥挤，”Banik 说。“蛋白质在人群中穿梭，与 RNA、脂质和其他蛋白质等各种分子擦肩而过。因此，蛋白质的功能受到其功能和与其他分子的距离的限制。”
疾病有时会利用这种对邻近性的需求，通过突变原本可以保护细胞免受损害的蛋白质来发挥作用。这类突变就像在包裹上写错了地址，诱使蛋白质进入它们在健康细胞中永远不会去的地方。
有时，这种运动会使蛋白质完全停止工作。例如，作用于 DNA 的蛋白质在细胞质中找不到任何 DNA，因此会漂浮起来，什么也不做。其他时候，这种运动会导致蛋白质成为坏角色。例如，在 ALS 中，突变会使一种名为 FUS 的蛋白质离开细胞核进入细胞质，在那里它聚集成有毒团块，最终杀死细胞。
Banik 和他的团队想知道，他们能否通过使用其他蛋白质作为航天飞机，将乘客蛋白质运送到正确的位置，从而解决这种故意错放蛋白质的问题。但这些航天飞机通常还有其他功能，因此该团队需要说服航天飞机搭载货物并将其运送到新的地方。
为了实现这一目标，巴尼克和他的团队开发了一种新型双头分子，称为 TRAM。其中一个头用于粘附在航天飞机上，另一个头用于粘附在乘客身上。如果航天飞机足够坚固，它就会把乘客送到正确的位置。
一路前行
该团队重点研究了两种有前景的穿梭机，一种将蛋白质拖入细胞核，另一种将蛋白质从细胞核中输出。化学研究生、论文第一作者克里斯汀·吴 (Christine Ng) 设计并制造了将穿梭机和乘客连接在一起的 TRAM。如果细胞质中的乘客最终进入细胞核，他们就会知道他们的 TRAM 已经成功了。
第一个挑战迫在眉睫：没有可靠的方法来测量单个细胞中特定位置的蛋白质数量。因此，吴开发了一种新方法来量化特定时间内细胞内乘客蛋白质的数量和位置。作为一名受过训练的化学家，她必须学习显微镜和计算分析的新技能才能做到这一点。
“自然界本身就很复杂，而且相互关联，因此采用跨学科方法至关重要，”吴恩达说。“借用一个领域的逻辑或工具来解决另一个领域的问题，往往会产生非常令人兴奋的‘如果’问题和发现。”
接下来，她进行了测试。她的 TRAM 成功地将乘客蛋白移入和移出细​​胞核，具体取决于它们使用的航天飞机。这些早期实验帮助她制定了一些基本的设计“规则”，比如航天飞机必须有多强才能克服乘客蛋白向另一个方向拉的倾向。
下一个挑战是他们能否设计出可以作为药物的 TRAM，逆转致病蛋白质的运动。首先，他们创建了一种可以重新定位 FUS 的 TRAM，FUS 是一种从细胞核中运出并在 ALS 患者体内形成危险颗粒的蛋白质。在用他们的 TRAM 处理细胞后，研究小组发现 FUS 被运回了细胞核中的自然位置，有毒团块减少了，细胞死亡的可能性也降低了。
随后，他们又将注意力转向了小鼠身上一种众所周知的突变，这种突变让小鼠对神经退化更具抵抗力。这种突变由已故的 Ben Barres 等人进行了著名的研究，它导致某种蛋白质从细胞核中移出，沿着神经元的轴突向下移动。
研究团队想知道他们能否构建一个 TRAM 来模拟突变的保护作用，将蛋白质运送到轴突末端。他们的 TRAM 不仅将目标蛋白质移到轴突下方，还使细胞更能抵抗模拟神经退化的压力。
在所有这些例子中，该团队都面临着一个持续的挑战：设计 TRAM 的乘客靶向头部非常困难，因为科学家尚未确定所有可能与目标乘客结合的分子。为了解决这个问题，该团队使用基因工具在这些乘客身上安装了粘性标签。不过，在未来，他们希望能够在这些乘客身上找到天然存在的粘性物质，并将 TRAM 开发成新型药物。
虽然他们专注于两种航天飞机，但该方法可推广到任何其他航天飞机，例如将物体推到细胞表面的航天飞机，在那里与其他细胞进行通信。
除了将突变的蛋白质送回其所属的位置之外，研究小组还希望 TRAM 能够用于将健康蛋白质送至细胞中它们通常无法进入的部分，从而创造出我们尚不知道的新功能。
“这很令人兴奋，因为我们才刚刚开始学习规则，”巴尼克说。“如果我们改变平衡，如果一种蛋白质突然能够在新的时间接触到细胞新部位的新分子，它会做什么？我们可以解锁什么功能？我们可以理解什么新的生物学部分？”