PLOS報(bào)道蛋白錯(cuò)折疊疾病新發(fā)現(xiàn)

日期：2014-11-20 09:00:42

根據(jù)美國斯克里普斯研究所（TSRI）科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的一項(xiàng)最新研究表明，“蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊”疾病，如囊胞性纖維癥和老年癡呆癥，可能因人體自身對抗這種錯(cuò)誤折疊的反應(yīng)而嚴(yán)重惡化。

研究人員檢測了幾種以慢性蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊為特征的嚴(yán)重疾病患者的細(xì)胞和小鼠模型，發(fā)現(xiàn)在每種情況中，一種對抗蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的細(xì)胞防御系統(tǒng)——稱為“熱休克反應(yīng)”，是過度活躍的。降低其活性可減輕疾病的癥狀，并提高現(xiàn)有治療的療效。

這項(xiàng)研究的資深研究員、TSRI教授William E. Balch博士說：“這對許多人類疾病的治療有重要的意義。”相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2014年11月18日的《PLoS Biology》雜志，最初專注于囊胞性纖維癥——一種遺傳性疾病，可導(dǎo)致反復(fù)肺部感染，使預(yù)期壽命減少一半。

熱休克之謎

幾乎所有的囊胞性纖維癥患者在CFTR（一種通道蛋白，通常有助于調(diào)節(jié)肺部和其他組織的細(xì)胞氯化物水平）編碼基因的兩個(gè)副本，都有一個(gè)特定的基因突變（在508位置有一個(gè)氨基酸苯基丙氨酸缺失，稱為F508-del）。突變的CFTR蛋白結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，容易折疊異常，因此通常最終被細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)胞“伴侶分子”（折疊輔助物）捕獲，在那里它被降解。只有一小部分的突變CFTR蛋白質(zhì)達(dá)到細(xì)胞膜，起離子通道的作用。

在最近幾年，Balch和其他實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明，捕獲突變CFTR的分子伴侶是熱休克反應(yīng)的一部分，熱休克反應(yīng)是一種強(qiáng)大的系統(tǒng)，演變?yōu)楸Ｐl(wèi)細(xì)胞對抗過熱、氧化和其他應(yīng)激因子所致的蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊。

Balch實(shí)驗(yàn)室的研究助理Daniela M. Roth帶領(lǐng)了這項(xiàng)研究，他這樣說道：“多年來，蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊疾病領(lǐng)域的傳統(tǒng)觀點(diǎn)一直認(rèn)為，提高熱休克反應(yīng)和分子伴侶水平以提高蛋白質(zhì)折疊，應(yīng)該是許多蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊疾病的治療方法。當(dāng)錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)是長期產(chǎn)生的時(shí)候，這種情況就不可能，熱休克反應(yīng)保持在高位。”

在這項(xiàng)新的研究中，研究小組首先證實(shí)，熱休克支氣管上皮細(xì)胞——囊胞性纖維癥中一種重要的受影響細(xì)胞類型，可導(dǎo)致突變CFTR幾乎完全被捕獲和降解。然后，科學(xué)家們通過人為地打開熱休克反應(yīng)——通過過度生產(chǎn)HSF1的一種活性形式，在常溫下重復(fù)了相同的捕獲增加效果，HSF1是一種轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)，充當(dāng)響應(yīng)的主要“開關(guān)”。

結(jié)果顯示，在囊胞性纖維癥中提高熱休克反應(yīng)，可能是有害的。但是科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)，攜帶突變CFTR的細(xì)胞靠它們自己做出了一個(gè)過度活躍的熱休克反應(yīng)——僅僅由錯(cuò)折疊CFTR蛋白質(zhì)激發(fā)的一個(gè)反應(yīng)。當(dāng)科學(xué)家們抑制細(xì)胞內(nèi)突變CFTR的生產(chǎn)時(shí)，熱休克蛋白反應(yīng)的指標(biāo)回落到正常。

所有這些結(jié)果明確表明，減少熱休克反應(yīng)可能是有益的，因?yàn)樗鼤档土瞬东@突變CFTR的分子伴侶的活性。該研究小組很快發(fā)現(xiàn)是這樣的：抑制HSF1的活性，可降低突變CFTR的分子伴侶捕獲，這讓更多的蛋白質(zhì)到達(dá)細(xì)胞膜，從而更好地調(diào)節(jié)氯化物水平。

更多的證據(jù)

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，烏特勒支大學(xué)醫(yī)療中心合作者Jeffrey M. Beekman和他的研究生Johanna F. Dekkers，利用一種囊胞性纖維癥模型，該模型包含來源于囊胞性纖維癥患者的組織團(tuán)塊——“類器官”。在這些細(xì)胞器中，科學(xué)家用一種稱為雷公藤甲素的化合物抑制HSF1，同時(shí)應(yīng)用VX-809——一種很有前途的囊胞性纖維癥候選藥物。這兩種藥物在一起表現(xiàn)出強(qiáng)大的協(xié)同作用，與VX-809治療本身相比，使疾病跡象更大幅地減少。

Roth說：“看來，有更多的熱休克分子伴侶活性，會加劇囊胞性纖維化的跡象，而降低這一活性可能是治療這種疾病的一種方法。”

該小組還發(fā)現(xiàn)一個(gè)線索：一種長期過度活躍的熱休克反應(yīng)，最終可能會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)一般折疊的常規(guī)中斷。在含有突變CFTR的細(xì)胞中（而非含有正常CFTR的細(xì)胞），一種發(fā)冷光的酶，可標(biāo)記細(xì)胞執(zhí)行正確蛋白質(zhì)折疊的能力，顯示出總折疊能力的大大降低。

Balch說：“這種廣泛的損害，可能降低細(xì)胞在許多折疊反應(yīng)中正確發(fā)揮作用的能力，這將混淆疾病病理學(xué)。”

不僅僅是囊胞性纖維癥

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)誤折疊的CFTR可引發(fā)異常的熱休克反應(yīng)，這似乎對細(xì)胞弊大于利，這表明相同的事情也許會發(fā)生在其他蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊疾病中。

該研究小組在遺傳疾病α-1-抗胰蛋白酶缺乏和尼曼-匹克病細(xì)胞模型中證實(shí)了這一猜測。在這兩種疾病中，產(chǎn)生突變錯(cuò)折疊蛋白的細(xì)胞，表現(xiàn)出過度熱休克反應(yīng)的跡象，抑制HSF1可改善突變蛋白質(zhì)功能的標(biāo)記。

美國西北大學(xué)的合作者Richard I. Morimoto和他的博士后研究人員Ning Wang，調(diào)查了一種常用的蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊動(dòng)物模型，在這種模型中，線蟲（C. elegans）會在肌肉細(xì)胞中過度產(chǎn)生老年癡呆癥相關(guān)淀粉樣β42肽。線蟲的肌細(xì)胞形成肽的聚集體，大多數(shù)受影響的線蟲發(fā)展為麻痹。再次，HSF1在這些充滿聚集體的肌肉細(xì)胞內(nèi)原來是過度活躍的，抑制HSF1活性可降低麻痹線蟲的比例，這表明適應(yīng)不良反應(yīng)具有強(qiáng)大的進(jìn)化保守性。

為了進(jìn)一步建立與老年癡呆癥的相關(guān)性，加州大學(xué)圣地亞哥分校的合作者Eliezer Masliah，著眼于標(biāo)準(zhǔn)的基因突變小鼠疾病模型，在其大腦組織中發(fā)現(xiàn)了一種類似的HSF1過度激活，而在普通的野生型小鼠中則沒有。

Balch說：“一般來說，錯(cuò)誤折疊蛋白的慢性生產(chǎn)，似乎可以產(chǎn)生這種不良的應(yīng)激反應(yīng)。減少不良應(yīng)激反應(yīng)作為第一線防御，可能對許多疾病（從癌癥到病毒感染）的進(jìn)展和病理具有重要的影響。”