MIT諾獎團隊解謎令人困惑的“殺手”蛋白

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-11-21 13:49:00【大中小】

摘要：新的研究揭示了一種以保護細胞免受死亡而聞名的蛋白質要發揮相反的作用需要什么。

從早期發育到老年，細胞死亡是生命的一部分。沒有足夠的細胞凋亡這種關鍵的細胞死亡類型，動物最終會產生過多的細胞，這可能為癌癥或自身免疫性疾病奠定基礎。但謹慎的控制是必要的，因為當細胞凋亡消除錯誤的細胞時，其影響可能同樣可怕，有助于引發多種神經退行性疾病。

麻省理工學院麥戈文腦研究所的科學家們通過對秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的研究，揭開了一個長期存在的謎團，即控制細胞凋亡的因素：一種能夠防止程序性細胞死亡的蛋白質是如何促進細胞程序性死亡的。上個月，秀麗隱桿線蟲第四次獲得了諾貝爾獎。他們的研究由麻省理工學院David H. Koch生物學教授Robert Horvitz領導，并于10月9日在《Science Advances》雜志上發表，揭示了健康和疾病中細胞死亡的過程。

圖1 秀麗隱桿線蟲BCL-2同源物CED-9的促凋亡功能需要與APAF-1同源物CED-CED-4相互作用

Horvitz同時也是霍華德休斯醫學研究所和麥戈文研究所的研究員，他說：“這些發現是由研究生Nolan Tucker和前研究生，現在是麻省理工學院的教員同事Peter Reddien共同完成的，他們揭示了一種長期被認為可以阻止秀麗隱桿線蟲細胞凋亡的蛋白質相互作用可能會產生相反的效果。”Horvitz因發現和描述秀麗隱桿線蟲控制細胞死亡的基因而獲得2002年諾貝爾生理學或醫學獎。

細胞死亡機制

Horvitz、Tucker、Reddien及其同事利用秀麗隱桿線蟲分析了驅動細胞凋亡的機制，以及細胞如何確保細胞凋亡在何時何地發生的機制，為細胞凋亡領域提供了基礎見解。人類和其他哺乳動物需要幾十種蛋白質來控制細胞凋亡，而這些蟲子只需要幾種。但當事情出錯時，蟲子很容易觀察：當沒有足夠的細胞凋亡時，研究人員可以看到線蟲半透明的體內有太多的細胞。當水分過多時，線蟲會缺乏某些生物功能，或者在更極端的情況下，無法繁殖或在胚胎發育過程中死亡。

Horvitz實驗室的工作確定了許多控制線蟲細胞凋亡的基因和蛋白質的作用。事實證明，這些調節因子在人類細胞中也有對應體，因此，對線蟲的研究有助于揭示人類細胞如何控制細胞死亡，并指出治療疾病的潛在目標。

蛋白質的雙重作用

秀麗隱桿線蟲的三種主要凋亡調節因子積極促進細胞死亡，而只有一種，CED-9，控制促進細胞凋亡的蛋白以保持細胞存活。然而，早在20世紀90年代，Horvitz和他的同事就認識到，CED-9并不僅僅是細胞的保護者。他們的實驗表明，保護蛋白也在促進細胞死亡中起作用。但是，雖然研究人員認為他們知道CED-9如何防止細胞凋亡，但其促細胞凋亡的作用更令人困惑。

CED-9的雙重作用意味著編碼它的基因突變可以通過多種方式影響細胞凋亡。大多數的CED-9突變會干擾這種蛋白質抵抗細胞死亡的能力，導致細胞過度死亡。相反，異常激活CED-9的突變導致的細胞死亡太少，就像滅活三種殺手基因中的任何一種的突變一樣。

Reddien在Horvitz的實驗室讀博士時發現了一個非典型的CED-9突變，暗示了CED-9如何促進細胞死亡。這種突變改變了CED-9蛋白中與CED-4蛋白相互作用的部分，即促凋亡。由于該突變特異性地導致細胞凋亡減少，這表明CED-9可能需要與CED-4相互作用以促進細胞死亡。

圖2 ced-9具有非正則促凋亡功能

這個想法特別有趣，因為研究人員長期以來一直認為CED-9與CED-4的相互作用具有完全相反的效果：在標準模型中，CED-9將CED-4錨定在細胞的線粒體上，隔離CED-4殺手蛋白，阻止其與另一個關鍵殺手蛋白CED-3蛋白結合并激活，從而防止細胞凋亡。

為了驗證CED-9與殺手CED-4蛋白的相互作用會促進細胞凋亡的假設，研究小組需要更多的證據。因此，研究生Nolan Tucker使用CRISPR基因編輯工具創造了更多在CED-9中發生突變的線蟲，每一種都針對CED-4結合區域的不同位點。然后他檢查了線蟲。“我在這類特殊的突變中看到的是額外的細胞和生存能力，”他說——這清楚地表明，改變后的CED-9仍能防止細胞死亡，但不能再促進細胞死亡。

Tucker解釋說：“這些觀察結果有力地支持了CED-9的促凋亡功能需要結合CED-4的能力這一假設。”他們的觀察結果還表明，與之前的想法相反，CED-9不需要與CED-4結合來防止細胞凋亡。

當他觀察突變線蟲的細胞內部時，塔克發現了額外的證據，表明這些突變阻止了CED-9與CED-4相互作用的能力。當CED-9和CED-4都完好無損時，CED-4似乎與細胞的線粒體有關。但在這些突變的存在下，CED-4反而位于細胞核的邊緣。CED-9結合CED-4與線粒體的能力似乎是促進細胞凋亡所必需的，而不是防止細胞凋亡。

展望未來

雖然研究小組的發現開始解釋了一個長期未解決的關于細胞凋亡的主要調節因子之一的問題，但他們也提出了新的問題。“我認為，很多人已經將細胞凋亡的主要途徑視為一門或多或少已經確定的科學。我們的發現應該會改變這種看法。”塔克說。

研究人員發現，他們對線蟲的研究發現與對哺乳動物細胞死亡途徑的了解之間存在重要的相似之處。哺乳動物中與CED-9相對應的是一種叫做BCL-2的蛋白質，這種蛋白質的突變會導致癌癥。與CED-9一樣，BCL-2也能促進和保護細胞凋亡。與CED-9一樣，BCL-2的促凋亡功能一直是個謎。在哺乳動物中，線粒體在激活細胞凋亡中也起著關鍵作用。Horvitz實驗室的發現為更好地理解細胞凋亡是如何在線蟲和人類中受到調節，以及細胞凋亡的失調是如何導致癌癥、自身免疫性疾病和神經退行性變等疾病提供了機會。

參考資料

[1] The pro-apoptotic function of the C. elegans BCL-2 homolog CED-9 requires interaction with the APAF-1 homolog CED-4