Nat Cell Biol丨多伴侣蛋白凝聚体促进内质网蛋白折叠

摘要：真核生物约有三分之一的蛋白质需要在内质网中完成正确折叠，这一过程依赖分子伴侣网络的协同作用【1-3】。蛋白质二硫键的形成是折叠过程中的限速步骤，因此二硫键异构酶（PDI）家族在维持折叠稳态中发挥关键作用。尽管PDI家族成员具有相似的结构框架，但它们在底物特异性

撰文 | 林无隅

真核生物约有三分之一的蛋白质需要在内质网中完成正确折叠，这一过程依赖分子伴侣网络的协同作用【1-3】。蛋白质二硫键的形成是折叠过程中的限速步骤，因此二硫键异构酶（PDI）家族在维持折叠稳态中发挥关键作用。尽管PDI家族成员具有相似的结构框架，但它们在底物特异性、伴侣活性及氧化还原性质上存在差异，从而承担不同的功能。值得注意的是，PDIA6的功能缺陷与癌症、糖尿病等多种疾病相关，但其确切作用机制仍不清楚。因此，揭示PDIA6及其在内质网蛋白折叠中的独特功能，是亟待解决的重要科学问题【4】。

近日，瑞士巴塞尔大学生物中心的Sebastian Hiller团队在NatureCellBiology杂志上发表了A multichaperone condensate enhances protein folding in the endoplasmic reticulum的研究文章。研究人员通过解析伴侣蛋白在内质网中形成超分子结构，发现以PDIA6为核心的多伴侣蛋白凝聚体在Ca²⁺依赖下形成，并能招募BiP、ERdj3、PDIA1和Grp94等关键折叠伴侣。结果表明，这些凝聚体能够促进蛋白质（如胰岛素原）的折叠，并防止蛋白质错误折叠。该研究揭示了伴侣蛋白凝聚体通过空间亚区化提升折叠精度与效率，为理解蛋白质生成机制提供新层次的视角，并可能为蛋白质错误折叠相关疾病带来新的治疗策略。

研究人员首先在HeLa、HEK和U2OS等细胞中通过成像实验发现，内源性PDIA6并非均匀分布于内质网，而是形成具有动态特征的可融合和分裂的凝聚体。这些结构表现出典型的液–液相分离特征，并在Ca²⁺浓度变化和内质网应激条件下发生可逆性解聚。进一步的体外实验利用纯化的重组PDIA6重建了凝聚体，并证明其形成严格依赖于Ca²⁺，阈值浓度与细胞内稳态和应激状态下的Ca²⁺水平高度吻合。

在机制研究中，作者通过核磁共振波谱技术（ NMR ）、晶体学和突变分析揭示，PDIA6的a0结构域二聚化与a0–a连接肽和b结构域之间的Ca²⁺依赖性静电相互作用共同驱动凝聚体形成。突变破坏这些关键相互作用位点会阻止凝聚体生成，但不影响PDIA6的二硫键异构酶活性，说明凝聚体的功能依赖于其多价相互作用架构。此外，研究显示PDIA6作为支架蛋白能够招募BiP、ERdj3、PDIA1和Grp94等早期折叠伴侣，而晚期参与糖基化修饰的calnexin和calreticulin 蛋白则不被富集，提示其在折叠早期具有特异性作用。

功能实验表明，PDIA6凝聚体能显著促进前胰岛素的折叠与分泌，并减少错误折叠蛋白的积累。缺失凝聚体的细胞中，错误折叠水平升高，蛋白聚集增加，内质网结构刚性增强，细胞存活率下降。这些结果表明，PDIA6凝聚体不仅作为“折叠工厂”提升蛋白质折叠效率与特异性，还通过维持内质网稳态来防止蛋白质错误折叠和细胞死亡。

总之，该研究利用结构生物学（NMR、冷冻电镜）、细胞成像与活细胞实验、分子生物学检测等手段系统地解析了内质网伴侣蛋白 PDIA6 在 Ca²⁺依赖条件下形成多伴侣蛋白凝聚体的机制。并证明这些凝聚体不仅能招募 BiP、ERdj3、PDIA1 和 Grp94 等关键伴侣蛋白，还能在客户蛋白进入内质网后的早期阶段促进其折叠，提高局部伴侣与底物的浓度，从而增强折叠效率并减少蛋白错误折叠与聚集。并进一步证明伴侣蛋白凝聚体的动态形成能够根据 ER 应激水平进行调控，优化蛋白质加工的空间和时间组织。该研究揭示了伴侣蛋白通过凝聚体实现亚区室化（subcompartmentalization）的新模式，为理解内质网蛋白质稳态提供了新的视角，并为开发针对蛋白错误折叠相关疾病的治疗策略提供了潜在思路。

制版人：十一

参考文献

1. Anelli, T. & Sitia, R. Protein quality control in the early secretory pathway.EMBO J. 27, 315–327 (2008).

2. Braakman, I. & Bulleid, N. J. Protein folding and modification in the mammalian endoplasmic reticulum.Annu. Rev. Biochem.80, 71–99 (2011).

3. Vincenz-Donnelly, L. & Hipp, M. S. The endoplasmic reticulum: a hub of protein quality control in health and disease.Free Radic. Biol. Med.108, 383–393 (2017).

4. Liu, G. M., Zeng, H. D., C. Y. Zhang, C. Y. & Xu, J. W. Key genes associated with diabetes mellitus and hepatocellular carcinoma.Pathol. Res. Pract.215, 152510 (2019).

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