PNAS：新探針量化細胞內折疊和錯誤折疊蛋白水平

　　美國Scripps研究所（TSRI）的科學家發明了一種小分子折疊探針，可在不同條件下量化細胞內正常折疊的功能性蛋白，以及疾病相關的錯誤折疊目的蛋白。

　　科學家們長期以來都需要更好的工具在細胞內進行這種測量，因為蛋白質錯誤折疊是組織損傷的一個主要原因。以過多蛋白錯誤折疊為特征的疾病，折磨著全球數以百萬計的人，包括阿爾茨海默氏病和帕金森氏病、全身性淀粉樣變性和朊病毒（瘋牛型）感染，以及常見的酶缺陷。

　　TSRI分子和實驗醫學系主任Jeffery W. Kelly指出：“這種新型探針技術，可讓我們對于‘細胞內易發生錯誤折疊的蛋白質是如何折疊的’有一個更好的理解。利用簡單的熒光技術對細胞內蛋白折疊進行量化的能力，將會加快新療法的發展。”

　　Kelly指導了這項研究，相關結果在本周的《PNAS》雜志在線發表。

　　深遠的影響

　　一直以來，研究人員都不容易將錯誤折疊的蛋白質與正常折疊的蛋白質區別開來，尤其是 在細胞內，因為這兩者具有相同的氨基酸序列。然而，正常折疊形狀的丟失可能會產生深遠的影響——細胞內一個錯誤折疊的蛋白質通常將失去它的功能。更糟的 是，錯誤折疊可能會使以前隱藏的、“粘性的”蛋白質部分顯露出來，從而使其相互之間聚集在一起，引起組織不易再生的功能障礙。

　　功能缺失和毒性功能獲得突變都會導致疾病，往往會縮短壽命。提高細胞內的折疊系統或蛋白內穩態網絡（protein homeostasis network）的容量，可以阻止或消除蛋白質錯誤折疊。這些新的探針可讓科學家們對“如何通過改變蛋白質內穩態網絡來提高特定蛋白質的折疊”進行量化。

　　在這項新研究中，研究人員旨在有選擇性地僅標記目的蛋白的折疊構象和功能構象。在一個案例中，科學家們為了證明原理，使用了一種模型蛋白 retroaldolase，是由華盛頓大學David Baker實驗室的合作者們制備的一種設計酶。研究小組也使用了甲狀腺素運載蛋白（TTR），這種蛋白的錯誤折疊和聚集已知能導致幾種致命的疾病，包括心 肌病和多神經病。最近，Kelly實驗室幫忙開發了TTR多神經病的第一種特定藥物療法。

　　本文的共同第一作者——研究生Yu Liu、Yun Lei Tan和研究員Xin Zhang，通過設計和制備“折疊探針”（這種探針共價地標注正確折疊的蛋白質功能形式，而不是錯誤折疊形式），完成了標記反應。當研究人員將探針分子溶 液添加到包含靶蛋白的細胞可溶物時，他們能夠根據探針的熒光信號發出的光，對折疊的靶蛋白進行量化。

　　為了更好地篩選新藥

　　以前，TSRI的Cravatt實驗室曾經設計過能夠同折疊的功能性蛋白家族共價起 反應的探針。然而，這些探針作為折疊探針的有效性，曾經受到科學界的質疑，因為折疊探針與靶向的、折疊的、功能性目的蛋白反應的行為，會穩固那種狀態，并 且通常會增加折疊的功能性蛋白部分數量，從而會使其比例過高。然而，在這項新研究中，研究人員利用折疊探針與細胞裂解和ATP消耗相結合，可使細胞內的分 子伴侶緊密結合未折疊的蛋白質組——阻止其折疊，從而提供了折疊的目的蛋白數量的信息，同時通過標記過程將這種狀態的過高比例減到最小。

　　這種新探針的一個最重要的應用是快速、“高通量” 的大藥物化合物庫篩選，以發現通過提高細胞折疊質量阻止蛋白錯誤折疊的候選藥物。

　　Zhang和Kelly構思和設計了這項研究，他們表示：“利用這些探針對功能性、折疊的目的蛋白進行量化，我們可以篩選提高此濃度的化合物。”

　　在該項研究中，研究人員將探針的熒光信號設計成不總是亮著，但是當它同目的折疊蛋白起反應時則會打開，從而清除了在高通量篩選中使用探針的 另一種障礙。Zhang解釋道：“熒光信號會快速地向你顯示，折疊的功能性蛋白在細胞裂解時的濃度。沒有必要花費時間去除不結合到靶標的熒光探針，或分離 探針與目標蛋白的結合。”

　　有一天，我們或許可以用誘導特定蛋白錯誤折疊的藥物（通過修改蛋白內穩態的細胞生物學），來阻止或延遲年齡相關的神經退行性疾病，如阿爾茨海默氏病 和帕金森氏病，并且治療遺傳性酶缺陷疾病。研究人員認為，考慮到細胞內錯誤折疊蛋白質的超大數量，以及錯誤折疊蛋白造成傷害的所有方式，抗錯折疊藥物可能具有更廣泛的應用。