新研究揭示了一種基本蛋白質運輸復合物的內部工作原理

就像郵遞員能夠在雨雪、炎熱和黑暗中投遞包裹一樣，一組關鍵的哺乳動物蛋白質即使在不太理想的條件下也能幫助細胞正常工作。

利用***的細胞成像和基因組編輯技術，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家們已經開始揭示這些蛋白質是如何發揮其基本功能的。這一發現最終可以幫助研究人員更好地理解和開發新的治療方法，治療癌癥、糖尿病和導致免疫功能障礙的疾病。

由生物分子化學系教授Anjon Audhya領導的研究小組試圖更好地了解外殼蛋白復合物II (COPII)的功能。COPII是一組極其重要的蛋白質，負責運輸哺乳動物細胞中大約三分之一的功能蛋白質。

COPII是2013年諾貝爾生理學或醫學獎的一個主題，該獎項授予了三位科學家，以表彰他們在定義蛋白質如何在細胞周圍分類和運輸方面的工作。這項新研究建立在這些發現的基礎上。

哺乳動物細胞中有數百萬種蛋白質，它們執行各種各樣的任務。細胞必須確保蛋白質有效地移動到適當的位置，這樣它們才能發揮細胞的作用——這是一項需要精確的復雜任務。先前的研究發現COPII是這一過程的重要組成部分，但沒有人確切地記錄下這組蛋白質是如何在細胞周圍包裝和運輸其他蛋白質的。

為此，Audhya和他的同事們使用CRISPR/Cas9基因組編輯工具向參與控制細胞內交通流的單個蛋白質(包括組成COPII復合體的一些蛋白質)添加了一個標簽，該標簽可以與明亮的熒光染料化學連接。有了這個標簽，科學家們就可以在蛋白質在活細胞中移動時跟蹤它們。

使用一種叫做點陣光片成像的技術，研究小組追蹤了COPII如何幫助獲得細胞蛋白質，包括注定要到達其他地方的分子，這是以前從未做過的事情。

該團隊在最近發表在《Nature Communications》雜志上的一篇論文中描述了他們的進展。Audhya用郵政系統來描述它。研究人員知道，COPII的功能就像撿起和遞送包裹的郵政工人，但他們從未跟蹤過這些工人，因為他們通過細胞的分發和遞送系統對包裹進行分類。

“我們現在可以看到郵箱里的信封，看到郵遞員是如何來到郵箱里取信然后開車離開的，”Audhya說，他是醫學和公共衛生學院負責基礎研究、生物技術和研究生學習的高級副院長。

研究人員發現，在正常情況下，這種傳遞過程平均需要45到60秒。然而，由于某些疾病和環境條件，當細胞接受的營養不足時，這一過程就會顯著減緩，至少直到細胞能夠隨著時間的推移適應。

通過一系列的實驗，Audhya和他的同事們能夠識別出一種名為Sec23的蛋白質，這種蛋白質能夠幫助恢復被破壞后的COPII運輸系統。當科學家們增加細胞內Sec23的產量時，他們發現細胞運輸蛋白質的速度發生了變化，“這是我們開始這項工作時從未預料到的，”Audhya說。“Sec23似乎是調節COPII復合體功能的核心角色。”

確定觸發Sec23促進COPII功能的因素對許多疾病具有潛在意義。例如，癌細胞經常在營養匱乏的環境中驚人地生長，部分原因是產生了更多促進生長的某些蛋白質。了解這種特性背后的分子機制可以確定新的治療靶點。

除此之外，更精確地了解細胞正確制備和傳遞蛋白質的過程，可以幫助我們了解細胞正常功能的基本知識，以及癌癥、2型糖尿病、神經退行性疾病和免疫紊亂等疾病中可能出現的問題。

“了解細胞中存在的這些基本過程和調控系統最終可以為開發更合理的疾病干預方法鋪平道路，”Audhya說。

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