核仁新功能——通过相分离修复错误折叠蛋白

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蛋白质组的稳态是维持细胞正常生理活动所必需的。其中，错误折叠蛋白的及时降解或修复是关键过程。为了维持正常生理条件与胁迫条件下的蛋白质稳态，细胞演化出了多种机制以避免形成潜在的毒性聚合物，该过程受限与诸如老年痴呆、亨廷顿、渐冻症等多种神经退行疾病密切相关。

德国马普研究所M.S. Hipp, F.U. Hartl以及R. Jungmann组于7月11日在Science上在线发表了文章 The nucleolus functions as a phase-separated protein quality control compartment ，发现核仁可以通过相分离实现错误折叠蛋白的修复。

细胞核中富含胁迫敏感蛋白，在胁迫条件下发生错误折叠。为了研究错误折叠蛋白的修复过程，作者巧妙地设计了一个报告系统。该系统是在239T细胞中表达了一个融合蛋白NLS-LG，包含有核定位序列NLS、受热诱导错误折叠的荧光素酶以及热稳定的GFP。研究发现，该蛋白在热刺激下（43℃, 2h），发生错误折叠，随后由原来的核质弥散状态聚集到富含相分离蛋白NPM1的核仁中，热刺激消失后该分子重新回到核质（图1 A）。另外，倘若用PBT稳定荧光素酶使其不发生错误折叠，蛋白就不会进入核仁（图1 A）。更高分辨率观察发现，错误折叠蛋白是进入核仁中相分离的GC（granular compartment）区，而不在FC（fibrillar center）和DFC（dense fibrillar component）区（图1 B）。

图1 热刺激引起蛋白错误折叠，进入核仁GC相，热刺激消失后回到核质

错误折叠蛋白进入核仁后会发生什么呢？作者首先在NLS-LG蛋白中加入核仁定位序列，形成No-LG报告系统，之后进行FRAP实验，结果表明热刺激引起的错误折叠蛋白在进入核仁后，移动速度变慢（图2 A）。进一步研究表明，错误折叠蛋白进入核仁后会与GC相分离蛋白NPM1结合，形成的复合物移动速度显著下降，从而避免了错误折叠蛋白的不可逆凝聚（图2 B）。

图2 A.错误折叠蛋白进入核仁后速度变慢 B.多种热敏感蛋白能与NPM1相互作用

作者还发现错误折叠蛋白在GC区可被修复，负责帮助蛋白质折叠的分子伴侣Hsp70能够在热刺激条件下进入核仁，并且与NPM1结合。更重要的是，使用药物VER抑制Hsp70（图3 A）或者用RNA聚合酶1抑制剂Act D（图3 B）破坏核仁，错误折叠蛋白均不能修复，反而形成不可逆聚集物。

图3 抑制分子伴侣Hsp70(A)以及抑制核仁结构(B)都会抑制错误折叠蛋白的修复

进一步研究发现，核仁修复折叠紊乱蛋白的质控能力是有限度的。在热刺激实施2h后，核仁体积显著增大到最大尺寸，当时间过长或者分子存在致病结构时，错误折叠蛋白不可逆聚集成固体淀粉样状态，热刺激停止后不能恢复（图4）。

图4 A.热刺激过长时间形成淀粉样沉积 B.致病二肽分子热刺激后不能恢复

最后，总结起来，细胞在胁迫条件下，部分细胞核蛋白发生错误折叠，之后会进入核仁与GC相NPM1蛋白结合，降低移动速度以避免过度凝聚，形成一种相分离状态；另一方面在分子伴侣Hsp70的帮助这些错误折叠蛋白将重新折叠，在胁迫消失后回到核质发挥功能。但是当胁迫过度或分子存在致病结构时，核仁将无法帮助错误折叠蛋白完全恢复，导致细胞功能障碍（图5）。该项工作首次发现核仁可以作为相分离蛋白质控中心，发挥修复折叠紊乱蛋白的功能，拓展了人们对核内蛋白质组稳态的理解。

图5 核仁修复错误折叠蛋白工作模型

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/sci/early/2019/07/10/science.aaw9157.full.pdf