科学:25年的谜团终于揭开！揭示了NAC蛋白复合物调节细胞中新生蛋白的转运

2022年2月28日/Bion/--在一项新的研究中，来自德国康斯坦茨大学、瑞士苏黎世联邦理工学院和美国加州理工学院的研究人员解决了一个存在了超过25年的问题：如何对细胞中的蛋白质进行排序。一种称为NAC(新生多肽相关复合物)的蛋白质复合物在蛋白质合成中充当“守门员”，并调节细胞中蛋白质的运输。他们阐明了这一功能背后的分子机制。相关研究成果发表在2022年2月25日的《科学》杂志上，论文题目为《er-蛋白质打靶过程中核糖体上NAC到SRP的信号序列交接机制》。

为了维持我们的细胞功能，当蛋白质还在合成的时候，它们就必须被运送到细胞中被称为“细胞器”的各个目的地。然而，我们如何区分不同的运输目的地，防止蛋白质到达错误的细胞器？现在，这些作者发现了如何在分子水平上控制这一复杂过程，以便将蛋白质运送到重要的细胞目的地——内质网，这是一种将新生蛋白质运送到细胞中的膜网络。

在这项新的研究中，这些作者可以发现一种被专家称为NAC的蛋白质复合物在这一过程中起着决定性的作用，这种复合物是在25年前发现的。像守门员一样，NAC确保只有目的地为内质网的蛋白质被转移到蛋白质转运蛋白SRP(信号识别颗粒)。然后，SRP将这种蛋白质的“货物”运送到指定的目的地。另一方面，如果新生蛋白质的目的地不是内质网，守门员NAC会拒绝访问蛋白质转运蛋白SRP。

蛋白质工厂

基于物质，我们身体的细胞中每分钟都会产生数以千计的新蛋白质。这种蛋白质是在核糖体中产生的，核糖体是我们身体的细胞“工厂”，不同的氨基酸——蛋白质的构建模块——在这里组装成长氨基酸链。产生的蛋白质后来可以承担各种功能，并相应地在细胞中有不同的目的地。因此，在蛋白质生产过程中，适当的分选机制一直确保蛋白质能够可靠地到达它们在细胞中各自的位置。

到目前为止，已知两种蛋白质复合物，即NAC和SRP，在新生蛋白质向内质网的靶向运输中起重要作用。SRP是实际的“转运蛋白”，它建立了新生蛋白和核糖体到内质网的联系。它能识别新合成蛋白质中编码的特定转运信号。但有一个问题：SRP也非特异性结合核糖体，没有内质网信号。

论文合著者、康斯坦茨大学分子微生物学教授埃尔克迪尔林(Elke Deuerling)解释说，“在没有控制的情况下，SRP会与附近的任何核糖体结合，然后将其运输到内质网，而不管它目前是否正在制造到达这个目的地的蛋白质。这会导致无数次的错送，严重损害细胞的功能和生存能力。”因此，这些作者得出结论，有一个控制实体正好可以防止这种情况：守门员NAC。

示踪分子机制

NAC如何在分子水平上阻止SRP与任何核糖体的非特异性结合，但确保只有正确的核糖体被转运到内质网，以前并不清楚。在这项新的研究中，这些作者探索了这个问题。

为此，他们首先通过在试管中将纯化的核糖体与NAC和SRP混合来模拟细胞内过程。然后，将混合物在-150快速冷冻，在电子显微镜下对这种混合物的样品进行取样——这种方法叫做低温电子显微镜。这使得结构生物学家Ahmad Jomaa博士(论文的共同第一作者)和Viswanathan Chandrasekaran博士(论文的共同作者)能够揭示NAC如何在蛋白质货物转移到SRP之前和之后与核糖体结合。这是阐明这种守门员机制的重要基石，但这两种状态之间的转换还不清楚。

图片来自Pixabay/CC0公共领域。

论文的共同第一作者，康斯坦茨大学的马丁加默丁格博士解释道，“这种转变是一个高度动态的过程，低温电子显微镜无法观察到。”为了理解这一过程，他和他的团队(博士研究人员Annalena Wallisch和Zeynel Ulusoy)进行了高分辨率的生化结合研究，详细揭示了NAC与核糖体的相互作用机制取决于合成的蛋白质类型。

作为守门员的NAC

利用这种方法和计算机辅助重建三维结构，以及谢浩轩博士关于相关组件之间结合强度的实验，这些作者成功地在分子水平上破译了NAC的工作原理。根据他们的研究结果，他们可以提出NAC分选功能的详细分子机制。

据此，NAC与核糖体结合，尤其是新生蛋白离开核糖体的部分。像守门员一样，NAC的一部分保护性地位于这个出口-核糖体隧道的前面，并阻止SRP接近核糖体和新生蛋白质。只有当新生蛋白质中编码的内质网转运信号序列在蛋白质合成过程中离开核糖体通道时，才允许进入。NAC识别这个信号并改变它在核糖体上的位置。这样核糖体通道的出口就变得通畅了，SRP通过NAC的“抓臂”——UBA结构域主动募集到核糖体后，现在就可以停靠在核糖体通道的出口了。SRP结合和信号序列转移后，核糖体与新生蛋白一起转运到内质网。