细胞中的蛋白合成需要内质网(endoplasmic reticulum,ER)的参与,这种高度旋绕的膜状细胞器,能够将合成的蛋白质折叠成功能形态,然后运输到细胞的不同部位。有些时候蛋白会异常折叠,如果让这些有故障的“零件”发挥功能,细胞就要大大的不妙了。所以,这些蛋白质必须被及时处理掉。起初,大家以为是内质网能够将这些次品就地降解。直到10年前,才发现这样的次品,会被再次运回细胞质,然后在细胞的垃圾处理器蛋白酶体(proteasome)中被降解。而这个过程被称为逆向转移(retrotranslocation)。多年来,科学家都绞尽脑汁寻找在这个过程中起到关键作用的蛋白。
如何才能找到这样的蛋白呢?最新的一期《Nature》发表了Harvard Medical School 的两个研究组通过不同的思路同时发现的重要蛋白Derlin-1。
一组科学家利用巨细胞病毒(cytomegalovirus,CMV)寻求答案。因为巨细胞病毒能够欺骗细胞的垃圾处理系统,让其把重要的免疫蛋白I型主要组织相容性复合物(class I major histocompatibility complex ,class I MHC)误以为是无用的垃圾而处理掉,从而保护自己以逃避免疫系统的攻击。研究证明两种病毒糖蛋白US2和US11在这个过程中发挥作用:它们通过插入内质网膜,阻断I型MHC运送到细胞表面,而是将他们最终导向蛋白酶体。
研究者设想,如果病毒利用正常的传送通道,将I型MHC逆向转移出内质网,那么,US2或US11也许是通过和这种传送通道互相作用而逆向转移I型MHC的。因此,研究组用正常的US11WT和功能丧失的突变体US11Q192L为饵,利用亲和纯化(affinity purification)的方法分离出能与US11WT作用但不与US11Q192L作用的蛋白,从而鉴定出Derlin-1。进一步研究证明Derlin 能够和US11和MHC分子结合成复合物,不过一旦蛋白酶体被抑制,这个复合物就会很快解体。进一步的功能性实验显示,如果Derlin-1和绿色荧光蛋白(green fluorescent protein,GFP)融合,就会阻断US11依赖性的MHC降解。
另一组科学家从p97入手。p97是逆向转移过程中的重要组成,因为结构性突变能够完全阻断这个过程。一般认为,逆向转移的底物以多聚泛素化(poly-ubiquitinated)的形式出现在内质网的细胞质一侧,随即ATP酶p97能够识别它并将其拔到细胞质中,然后底物才能被运输到蛋白酶体中被降解。
研究者以p97为探针寻找内质网膜上的p97受体,并满意地找到了Derlin-1和另一种蛋白VIMP。随后的实验证明Derlin-1/VIMP能够和MHC分子和US11作用。而如果在线虫细胞中阻断Derlin-1的表达,可以产生类似异常折叠蛋白处理障碍的细胞应激(cellular stress)。
对Derlin-1功能的鉴定,可以作为一个逆向转移里程碑式的发现。对异常折叠蛋白的运输的进一步认识有助于我们加深对一系列遗传病,包括囊肿性纤维化(cystic fibrosis)的了解。
Model for US11-mediated retro-translocation of MHC class I heavy chains. US11 recognizes HC in the ER lumen and targets it to Derlin-1, a proposed component of the retro-translocation channel. The p97 ATPase complex is recruited to Derlin-1 by VIMP. HC emerging into the cytosol is bound by p97. Poly-ubiquitin chains (Poly-Ub, red) are attached and recognized by both the N-domain (N) of p97 and the cofactor Ufd1/Npl4 (U/N). ATP hydrolysis by p97 moves HC into the cytosol. The retro-translocation of misfolded ER proteins may occur similarly, with US11 being replaced by other targeting components.