蛋白质装配中方向错了会怎样？

文摘 2024-11-04 23:39 浙江

想象一下，如果要把一块讨厌水的木板安装在水中，这听起来似乎很荒谬，但在细胞中，类似的"不可能任务"每时每刻都在上演——某些蛋白质虽然"不喜欢"细胞膜的环境，却最终能稳稳地待在那里。这个看似矛盾的现象背后究竟藏着什么秘密？

在我们的日常生活中，细胞就像一座繁忙的城市，内部有着数不清的蛋白质"工人"在井然有序地工作着。这些蛋白质中，有一类特殊的"跨膜蛋白"，它们就像是横跨在细胞内外的"桥梁"，负责物质运输、信号传递等重要任务。就像建造一座大桥需要精确的设计和组装，这些跨膜蛋白的组装过程也是非常复杂和精密的。然而，科学家们一直对一个现象感到困惑：有些跨膜蛋白的某些部分竟然不太"喜欢"脂肪（疏水性差），这就像是在建桥时，要把一块不防水的木板安装在水中一样令人费解。

更让人好奇的是，这些"不防水"的部分在最终完工的蛋白质中却能稳稳当当地待在细胞膜里。这就像是变魔术一样：明明不防水的木板，最后却完美地融入了整座水上大桥。这个谜题困扰了科学家们很长时间：细胞是如何将这些"不合群"的结构安装到位的？它们在组装过程中是否经历了特殊的"防水处理"？这些问题不仅关系到我们对生命过程的理解，也与多种疾病的发生和治疗密切相关。

2024年5月16日，来自中国科学院的研究团队在 Molecular Cell 期刊发表了一篇题为《ATP13A1介导的多跨膜蛋白折叠拓扑发生途径》的研究论文。这项研究首次发现了一条由疏水性较差的跨膜结构域（pTMD）引发的装配新途径：这些结构域会先穿过转运蛋白进入内质网腔，导致其他跨膜区域发生反向插入，随后在ATP13A1和C端正电荷的协同作用下完成方向调整，最终与其他跨膜结构域正确组装。

为了研究多跨膜蛋白的装配机制，研究人员采用了多种互补的实验技术：利用CRISPR/Cas9技术构建ATP13A1基因敲除细胞系，通过位点特异性突变和糖基化位点标记研究蛋白质的拓扑结构，结合脉冲追踪实验观察蛋白质跨膜区域的动态转运过程，使用免疫沉淀和Western blot分析蛋白质之间的相互作用，同时还创新性地运用生物素标记和DogCatcher标记系统追踪蛋白质在细胞内的精确定位。

低疏水性TMD2在内质网中转运

研究团队首先分析了ABCG2的TMD2特征。结果显示，TMD2表现出较低的疏水性（ΔGapp = +3.281）。当在pTMD2的不同位置（L430、F432、C438、S441、K453等位点）引入糖基化位点时，约90%的蛋白质都能发生糖基化。进一步研究发现，这种糖基化修饰主要发生在非经典的N436QC438位点，说明pTMD2在内质网腔中停留了较长时间。

错误的膜插入方向

为了追踪其他跨膜结构域的命运，研究人员在ABCG2的不同区域引入了糖基化位点。实验数据显示：90%的EL1（N418位点）、54%的CL1以及67%的CL2发生糖基化，而仅12%的C端发生糖基化。这表明TMD3-TMD5以反向方式插入膜中，导致CL1和CL2错误定位于内质网腔中。当将pTMD2替换为高度疏水性序列时，这种错误定位现象显著减少。

ATP12A1的关键作用

质谱分析发现ATP13A1是ABCG2错误拓扑中间体的主要结合伴侣。在ATP13A1敲除细胞中，非糖基化ABCG2的比例增加到约60%。重新表达野生型ATP13A1可以恢复ABCG2的正确折叠，而ATP酶活性缺陷的D533N突变体或E492,496A突变体均不能恢复ABCG2的正确折叠。

双赖氨酸信号的调控

ABCG2的C末端存在高度保守的双赖氨酸（K652K653）。K652,653E突变导致约77%的ABCG2表现出错误的拓扑结构。保留单个赖氨酸或精氨酸仍可维持82%以上的正确糖基化。DogCatcher标记实验显示，K652,653E突变导致EL2和EL3滞留在细胞质中，而CL1和C端错误定位于内质网腔中。

后转译整合过程

脉冲追踪实验显示，对照蛋白TCRα在10分钟内就有92%完成糖基化，而ABCG2的EL2和EL3在合成后仅有39-51%发生糖基化。在30℃下继续孵育30分钟后，糖基化水平可达到80%以上，证实了ABCG2存在后转译整合机制。

总结

这项研究揭示了一条由pTMD引发的后转译拓扑发生途径，阐明了多跨膜蛋白中疏水性较差的跨膜结构域如何避免过度暴露于脂质环境并最终整合到成熟构象中。ATP13A1和C末端正电荷信号在这一过程中发挥关键作用，这一发现为理解膜蛋白折叠机制提供了新的视角。

撰文｜Coral

责编｜Asher

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