受極端耐受生物啟發(fā)，表達利用天然和設(shè)計的極端耐性相關(guān)蛋白在人體細胞中表達

極端微生物對抗極端環(huán)境的生存策略是近年來的研究熱點之一。2021年12月，麥吉爾大學(xué)的科學(xué)家從南極洲麥克默多干谷15萬年前的永久凍土層中分離出新型嗜極酵母，發(fā)現(xiàn)了它在低溫下可從呼吸作用轉(zhuǎn)為乙醇發(fā)酵適應(yīng)寒冷。

近日，哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的研究人員，在ACS Synthetic Biology期刊上，在線發(fā)表了論文Natural and Designed Proteins Inspired by Extremotolerant Organisms Can Form Condensates and Attenuate Apoptosis in Human Cells。論文指出，許多生物體被置于極端條件下時，能夠存活并成功地恢復(fù)到正常生存狀態(tài)。出現(xiàn)這種極端耐受行為，部分原因是，生物體面對極端環(huán)境啟動自我保護機制，上調(diào)蛋白表達，涉及到的蛋白包括重復(fù)蛋白、兩親性蛋白質(zhì)和天然無序蛋白。

其中的保護機制尚不清楚，對此有以下兩種主要假說。

一種假說認為，這些蛋白質(zhì)中至少有一部分介導(dǎo)了整個細胞內(nèi)物質(zhì)的凝膠或玻璃狀狀態(tài)的形成，以保護其免受損害。該模型假設(shè)這些蛋白質(zhì)與膜和其他蛋白質(zhì)雜交，增加細胞內(nèi)黏度，保護脆弱結(jié)構(gòu)。

另一種假說認為，這些蛋白質(zhì)形成細胞內(nèi)相分離的無膜隔室，具有不同的物理參數(shù)（此處稱為凝聚物），可劃分關(guān)鍵的應(yīng)力敏感細胞成分。在這些致密的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，基本成分被隔離并保護免受損害。

兩種假說并不相互排斥。例如，在耐干燥的情況下，持續(xù)脫水可能導(dǎo)致相分離的隔室融合，并促進玻璃態(tài)材料狀態(tài)。

目前，越來越清楚的是生物相分離可能發(fā)揮重要作用，且人類細胞可以采用類似的策略在壓力條件下生存。

極端耐受相關(guān)蛋白的序列特征可能與哺乳動物的應(yīng)激耐受途徑有關(guān)，包括減少細胞凋亡。之前的報道已經(jīng)表明，極端耐受相關(guān)蛋白進行異源表達時，也表現(xiàn)出類似的保護特性。例如，在脫水過程中線蟲Aphelenchus avenae上調(diào)的LEA蛋白，在人類細胞中表達會抑制PABPN1-A17的聚集（眼咽型肌營養(yǎng)不良的標(biāo)志），改善肌營養(yǎng)不良癥狀;類似的案例還有，來自非洲蠓的LEA蛋白和來自緩步動物的TDP蛋白，在人類細胞中表達均呈現(xiàn)類似保護作用。這些發(fā)現(xiàn)加強了將保護性表型從其自身環(huán)境轉(zhuǎn)移到人類細胞的潛力。

研究人員組裝了一個包含大約300種天然存在和設(shè)計的極耐受相關(guān)蛋白的文庫，以評估它們保護人類細胞免受化學(xué)誘導(dǎo)的細胞凋亡的能力。蛋白質(zhì)庫包括104種自然存在的蛋白質(zhì)，166種螺旋區(qū)截斷或分離的蛋白質(zhì)，以及19種從頭設(shè)計的蛋白質(zhì)。

蛋白文庫

為了驗證序列特征及其與相分離和細胞凋亡關(guān)系的假設(shè)，研究人員在ExTol蛋白組的基礎(chǔ)上設(shè)計了新的蛋白。這些新設(shè)計采用了三種方法：對蛋白質(zhì)進行截斷，聚焦于重復(fù)蛋白、兩親性蛋白質(zhì)和天然無序蛋白區(qū)域;分離出具有所需序列特征的單個螺旋;以及從頭設(shè)計含有α螺旋的蛋白質(zhì)，使其自我組裝成高階結(jié)構(gòu)。

研究表明，來自緩步動物、線蟲和中國大鯢的幾種蛋白質(zhì)具有細胞凋亡保護作用。設(shè)計合成的蛋白質(zhì)比天然存在的蛋白質(zhì)具有更強的功能。

值得注意的是，研究人員確定了人類APOE蛋白的一個區(qū)域也可以防止細胞凋亡，該區(qū)域與極耐受相關(guān)蛋白相似。另外，一種合成蛋白DHR81也有同樣效果。

APOE在健康人體內(nèi)的極低密度脂蛋白中發(fā)現(xiàn)，主要合成場所為肝臟，是一種能夠結(jié)合和轉(zhuǎn)運脂質(zhì)的特殊蛋白，同時也參與著體內(nèi)總膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運，是一種多態(tài)性蛋白，可調(diào)節(jié)多種生物學(xué)功能。

研究數(shù)據(jù)表明，凝聚物的形成在這些蛋白質(zhì)的抗凋亡中起作用，且通過工程誘導(dǎo)系統(tǒng)增加凝聚物的量，能夠增強減少細胞凋亡的作用。但除了凝聚物的形成外，仍存在尚未發(fā)現(xiàn)的其它保護機制。

總而言之，該研究擴展了對凝聚物形成與細胞生理學(xué)之間關(guān)系的理解，展示了凝聚物積累如何有助于減少細胞凋亡，同時還確定了極端耐受相關(guān)的多種新蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。（綜合整理報道） （編輯/多洛米）