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細胞裡的建築師-protein folding and quality control

神經退化性疾病(Neurodegenerative disease ; ND)中的標誌性事件是蛋白質的錯誤摺疊(misfolding),聚集(aggregation)和積累(accumulation),導致細胞功能障礙、喪失突觸連接和腦損傷。 儘管在不同的 ND 中涉及不同的蛋白質,但其蛋白質錯誤摺疊和聚集的過程非常相似 [1]。

那麼,這類的蛋白質聚集是為何產生?細胞裡的建築師伴護蛋白(chaperone)又如何因應這個現象呢?

蛋白質經由核糖體(ribosome)合成後,會摺疊(folding)成獨特的 3D 結構以產生生物功能。錯誤摺疊的蛋白質分子如果積累、暴露出疏水性殘基,進而產生潛在毒性的聚集體。1960 年代起,蛋白質摺疊的機制陸續被提出 [2] [3],自氨基酸序列對蛋白質結構的影響、蛋白質快速摺疊的機轉,延伸至以此為基礎的預測方法討論。本篇文章將概述蛋白質摺疊、蛋白質聚集與蛋白質平衡網絡(protein homeostasis network ; proteostasis network; PN)至今的研究發現[4]。

伴護蛋白-蛋白質摺疊機制

從 1950 年代 Anfinsen 的開創性研究-小蛋白質在體外自發性重新摺疊,到 1980 年代研究指出某些蛋白質需要伴護蛋白的協助才能進行蛋白質摺疊,過去二十年的研究確立了伴護蛋白在蛋白質摺疊裡扮演重要角色。相較於小的蛋白質可以快速而正確地摺疊,大型多結構蛋白質在真核生物裡因為常需要進一步經過大分子複合的步驟,而增加了錯誤摺疊狀態聚集的趨勢。伴護蛋白主要功能是防止此類不可逆的異常交互作用,伴護蛋白被定義為與其他蛋白質相互作用,穩定或幫助其獲得其功能活性構形的任何其他蛋白質,且不存在於其最終結構中。

在摺疊期間廣泛作用的伴護蛋白包括熱休克蛋白-60(heat shock protein; Hsp-60), Hsp70 及Hsp90 系統。它們識別由非天然蛋白質暴露的疏水性胺基酸殘基(圖一),並通過三磷酸腺苷(ATP)調節蛋白質結合和釋放循環,近一步促進摺疊。在這種動力學支配的機制中,釋放疏水性元素允許摺疊進行,結合非天然蛋白質可阻斷聚集並且逆轉錯誤摺疊狀態。

圖一、伴護蛋白協助蛋白質摺疊。圖片來源:DOI: 10.1126/science.aac4354

蛋白質摺疊與聚集

以熱力學的觀點來說,自然情況下蛋白質折疊會趨於能量較低的穩定態,正常路徑下會有伴護蛋白協助穩定折疊構型,伴護蛋白缺乏的情況,容易導致錯誤折疊而形成自由能較低的澱粉樣蛋白 [5]。由於蛋白質鏈(protein chain)可以有多種不同的構型,本質上容易出錯,摺疊依賴許多非共價鍵的相互合作,此外,也涉及胺基酸序列的排序與長度。在蛋白質摺疊的過程裡(圖二)[6],蛋白質分子在自由能表面(free-energy surface)趨向降低自由能,形成有利於熱力學的天然構形或是佔據低能量的摺疊中間體和部分摺疊狀態(綠色部份),伴護蛋白通過降低自由能障礙與防止異常的分子間交互作用(紅色部分)來提供摺疊輔助,在缺乏伴護蛋白的狀況下,可能導致各種形式的聚集體(無定形,寡聚體和纖維狀),在熱力學上纖維狀(澱粉樣蛋白)常常屬於最穩定型態。

圖二、蛋白質聚集與摺疊競爭。圖片來源:DOI: 10.1038/s41580-019-0101-y

蛋白質平衡網絡

在個體細胞、器官與組織中,蛋白質平衡網絡(proteostasis network; PN)須受嚴密調控,以維持生物體的正常功能。PN,伴護蛋白和蛋白質降解機制的綜合網絡,為了保持蛋白質組的完整性,不同的伴護蛋白及其輔助因子會參與這個網路,輔助蛋白質合成、降解的相關機制。PN 必須平衡蛋白質合成與周轉,清除多餘錯誤摺疊和聚集的蛋白質,並應對壓力等外在因素的影響。蛋白質錯誤摺疊和聚集體的形成會對 PN 施加壓力,使其不穩定,目前已有大量的研究指出 PN 的衰退或破壞,與衰老和異常蛋白質摺疊聚集的疾病有密切相關。

圖三概括表述在遇到蛋白質錯誤折疊時,蛋白質網絡平衡與否導致的不同結果。在這個圖中的綠圈表示 PN 通過重新摺疊/解聚或降解異常蛋白質來應對錯誤摺疊的負荷。而紅圈表示了 PN 崩壞的結果。當蛋白質錯誤摺疊和聚集未能被正確解決,會引起異常交互作用,損害蛋白質平衡,進一步又導致更多蛋白質錯誤摺疊與聚集,此一正反饋迴路(positive feedback loop)最終使得 PN 崩壞。這種情況會因老化相關的 PN 衰退或異常蛋白質的過量產生而加速。

平衡與不平衡的蛋白質平衡網絡。圖片來源:DOI: 10.1126/science.aac4354

總結來說,近幾十年來的研究,人類已對體內蛋白質摺疊以及細胞如何維持蛋白質組平衡取得顯著進展,由此產生的領域正在對基礎生物學和醫學等領域產生重大影響。在機制上,仍有許多問題值得去研究,例如伴護蛋白如何維持其目標蛋白的構形機制或在 PN 內如何協調他們的功能等,近一步暸解分子機制將有助於藥理學上的發展,更有助於治療因為老化導致的 PN 衰退衍生出的相關疾病。

參考文獻:

  1. Balchin, D., Hayer-Hartl, M., & Hartl, F. U. (2016). In vivo aspects of protein folding and quality control. Science, 353(6294), aac4354. doi:10.1126/science.aac4354
  2. Dill, K. A., & MacCallum, J. L. (2012). The Protein-Folding Problem, 50 Years On. Science, 338(6110), 1042-1046. doi:10.1126/science.1219021
  3. Fersht, A. R. (2008). From the first protein structures to our current knowledge of protein folding: delights and scepticisms. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 9(8), 650-654. doi:10.1038/nrm2446
  4. Hipp, M. S., Kasturi, P., & Hartl, F. U. (2019). The proteostasis network and its decline in ageing. Nature Reviews Molecular Cell Biology. doi:10.1038/s41580-019-0101-y
  5. Knowles, T. P., Vendruscolo, M., & Dobson, C. M. (2014). The amyloid state and its association with protein misfolding diseases. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 15(6), 384-396. doi:10.1038/nrm3810
  6. Soto, C., & Pritzkow, S. (2018). Protein misfolding, aggregation, and conformational strains in neurodegenerative diseases. Nature Neuroscience, 21(10), 1332-1340. doi:10.1038/s41593-018-0235-9
撰文|洪維謙
審稿|陳彥善、黃云宣

About the author

洪 維謙

洪 維謙

目前就讀國立陽明大學腦科學研究所,過去在中央研究院研究遺傳緩衝效應,早期在中央大學研究微脂粒類藥物遞送系統與蛋白質體微列陣。對科普抱持熱忱,想藉由investigator平台與大家一起學習也為科學推廣盡一份心力。

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