蛋白質的相分離在多種執行重要生物學功能的無膜細胞器動態組裝中發揮關鍵作用。在疾病條件下，蛋白質相分離調控的紊亂會直接導致蛋白的液-固相轉化和不可逆的蛋白致病聚集。該過程與一些神經退行性疾病，如肌萎縮側索硬化症（ALS）密切相關。然而目前，學界缺乏關於蛋白相分離穩態在不同無膜細胞器中如何被精密調控的研究。近日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉中心劉聰課題組、方燕姍課題組與上海交通大學的研究人員合作，發現了一類維持無膜細胞器中蛋白穩態的關鍵分子伴侶Hsp40。其自身具有較強的相分離能力，並能夠與無膜細胞器中的蛋白發生協同相分離，在維持蛋白質高度動態的相分離中起到關鍵作用。相關研究成果發表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA上。
分子伴侶（熱休克蛋白）廣泛參與細胞內蛋白質內穩態的維持。研究表明，不同的熱休克家族蛋白存在於多種無膜細胞器中，如應激顆粒（SGs）中鑑定出Hsp40、Hsp70、Hsp90等。然而，學界對分子伴侶在無膜細胞器動態組裝中的作用仍缺乏研究。該研究中，研究人員發現了調控蛋白相分離的一類重要分子伴侶Hsp40。該研究首次發現分子伴侶自身具有相分離能力，並能夠通過自身相分離參與到不同無膜細胞器的組裝及穩態維持中。該研究對分子伴侶在無膜細胞器穩態的維持，以及蛋白分相調控紊亂與疾病關係的研究均具有重要意義。
Hsp40家族蛋白種類繁多，可分為三類亞型：I型、II型、Ⅲ型，這三類亞型均包含參與Hsp70 ATP水解的J domain。除了J domain，I型與II型蛋白的氨基端（NTD）還具有甘氨酸/苯丙氨酸富集的柔性區域——G/F區域，在羧基端（CTD）具有底物結合結構域。研究發現，Hsp40的I型與II型蛋白成員——Hdj2與Hdj1在體外均具備較強的相分離能力，並且在細胞內存在於不同的無膜細胞器中。其中，Hdj2定位於細胞核內的核仁中，Hdj1定位於泛素化富集的核小體中；在壓力刺激下，兩者均會參與到細胞質SGs的形成中。進一步機理研究發現，柔性G/F區域中的多個苯丙氨酸和精氨酸殘基對Hsp40的分相及其參與SGs的組裝具有重要意義。G/F區域在不同亞型及不同種屬的Hsp40蛋白中廣泛存在，進一步實驗驗證了含有G/F區域的酵母Hsp40蛋白Sis1與Ydj1均具有較強的相分離能力。因此，相分離可能是Hsp40家族不同成員共有的屬性。
Hsp40家族蛋白在調控細胞蛋白質穩態中發揮重要作用，其功能缺失與一些疾病發病密切相關，Hsp40基因突變在ALS、帕金森症（PD）等神經退行性疾病中被發現。該研究發現，Hdj1能夠與ALS重要致病蛋白FUS發生協同相分離，穩定FUS在高度動態的液-液相分離狀態，並抑制FUS的致病性液-固相轉化，從而維持細胞內的蛋白內穩態。進一步機理研究發現，Hdj1通過其NTD中的精氨酸及苯丙氨酸殘基，分別介導與FUS-LC（1-163aa）和FUS-RGG（371-526aa）的相互作用及協同共分相。進一步，通過其CTD的底物結合結構域抑制液-液相分離狀態中的FUS進一步進行液-固相轉變。不同的分子伴侶在無膜細胞器動態組裝和解離的多個不同階段中可能存在不同作用。對多個不同分子伴侶協同或分段調控無膜細胞器的機制研究，將是該領域的重點研究方向。
Hsp40參與無膜細胞器形成及其穩態維持示意圖
【來源：上海有機化學研究所】
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