《PNAS》让肌肉变成蛋白质工厂的关键蛋白酶

　　

   

   

马萨诸塞大学阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)和马萨诸塞大学陈医学院(UMass Chan Medical School)的研究人员最近宣布，他们以前所未有的清晰程度绘制了蛋白α -1抗胰蛋白酶(AAT)的表达和成熟图谱，这是一项寻求更好的基因疗法来治疗一系列疾病的重大新进展。研究结果详细描述了这种蛋白质的分子折叠，发表在《PNAS》并将有助于开发治疗被称为α -1抗胰蛋白酶缺乏症的遗传疾病的特定疗法，以及更有效地治疗广泛的遗传疾病。

近年来，疾病治疗发生了一场革命。现在我们已经清楚，当我们自己的身体产生基因层面的功能失调蛋白质时，就会出现一系列疾病，比如AAT缺陷。产生有缺陷的AAT或数量不足的AAT可导致严重的肺和肝脏疾病。治疗这些疾病的方法要么是将缺失的蛋白质输送到身体，要么更好的方法是，通过将特定蛋白质产生基因的完整拷贝引入正确细胞的DNA，教会身体为自己制造缺失的蛋白质。

但要教会身体制造一种缺失的蛋白质并非易事。要做到这一点，你首先需要将正确的蛋白质产生基因注入体内，通常是通过肌肉注射(即注射)，并将其注入产生这种蛋白质的特定细胞。接下来，你必须确保一旦身体开始合成之前缺失的蛋白质，蛋白质就能正确折叠成合适的最终形状——就AAT而言，这个形状看起来就像一个装满了东西的捕鼠器，随时可以弹起。最后，正确折叠的蛋白质需要从细胞到达体内任何需要它的地方。

这是一个非常复杂的系列问题，需要一个在分子生物学、细胞生物学、蛋白质折叠和基因治疗方面具有专长的研究团队，以及进行这项工作的尖端研究设施，例如马萨诸塞大学阿默斯特应用生命科学研究所的医学模型中心，该中心拥有完成大部分研究的实验室。“这个项目是十多年合作的结果，涵盖了从实验室基础科学到临床应用的各个领域，”马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校生物化学和分子生物学教授、该论文的合著者之一丹尼尔·赫伯特(Daniel Hebert)说。故事从特伦斯·R·弗洛特(Terence R. Flotte)开始，Flotte是基因疗法的先驱，他已经开发出一种使用无害的腺相关病毒(AAV)作为载体进行基因疗法的方法。Flotte说:“我们已经完成了三个临床试验，在这些试验中，我们将含有正常AAT基因的AAV注射到肌肉中，以在AAT缺乏的患者中产生蛋白质的‘持续释放’。但直到现在，我们还不知道AAT蛋白在肌肉生化水平上是如何处理的。”

然而，并不是所有的身体细胞都有能力制造身体所需的所有蛋白质。例如，AAT最好在肝脏中制造。但是，由于大多数注射发生在肌肉中——想想你胳膊里的注射——研究小组需要弄清楚如何让肌肉细胞在产生AAT时更像肝细胞一样，然后如何让肌肉中产生的AAT到达需要它的肺部和肝脏。

事实证明，Hebert是这些问题的专家，在证实肌肉细胞不容易产生AAT后，他帮助开发了一种技术，使用一种被称为变形平衡调节剂的化学物质，即亚酰苯胺羟肟酸(SAHA)，将肌肉细胞中AAT的分泌增加了约50%。“这是一种让肌肉承担肝脏部分工作的方法，”他说。然而，并不是所有的蛋白质都是一样的。它们的形状对于决定蛋白质如何或是否以应有的方式工作至关重要。蛋白质如何形成特定形状的过程——被称为蛋白质折叠问题——一直是马萨诸塞大学阿默斯特分校生物化学和分子生物学杰出教授莱拉·吉拉斯奇(Lila Gierasch)整个职业生涯的重点。“这些蛋白质分子绝对令人着迷，”Gierasch说。“它们看起来像小捕鼠器，它们需要是亚稳态的”——想象一下你刚刚设置的一个捕鼠器，它正在等待一只老鼠。“这是一种非常特殊的形状，它必须是完全正确的，否则蛋白质就不会以应有的方式发挥作用。”

尽管该团队将AAT缺乏症作为一个案例研究，但他们的工作表明，包括基因疗法和蛋白酶稳定调节因子在内的组合疗法，可以提高基因疗法的疗效，不仅是针对AAT缺乏症，而且更广泛地用于许多遗传疾病。

“我们的最终目标，”Gierasch说，“是提供一种简单的方法，可以治愈一种非常困难的、具有潜在破坏性的遗传疾病。这需要一个广泛的跨学科团队，从实验室和患者身边收集专业知识，才能找到答案。”

Secretion of functional α1-antitrypsin is cell type dependent: Implications for intramuscular delivery for gene therapy