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在细胞应对蛋白质质量控制（PQC）系统失效时，聚集体小体的清除机制不明。研究人员针对此开展聚集体小体清除途径的研究，发现 p97/VCP 及其辅因子对聚集体小体解体和逐块自噬至关重要，为理解相关疾病机制提供关键线索。
在细胞的微观世界里，蛋白质如同精密的 “小机器”，有条不紊地执行着各种任务，维持细胞的正常运转。然而，当细胞遭遇各种生理或病理状况时，这些 “小机器” 可能会出现故障 —— 错误折叠并聚集成团。蛋白质聚集可不是个小问题，它与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病紧密相关，还在癌症等多种疾病的发展中扮演着重要角色。
为了应对蛋白质聚集的威胁，细胞进化出了一套复杂而精妙的蛋白质质量控制（PQC）系统，其中包括泛素 - 蛋白酶体系统和热休克蛋白 70（Hsp70）等分子伴侣。同时，细胞还会利用选择性自噬途径来清理这些 “问题蛋白”。此外，细胞还有一招 “杀手锏”—— 形成聚集体小体（aggresomes），将容易聚集的蛋白质集中 “关押” 起来，防止它们在细胞内 “捣乱”。
尽管聚集体小体的形成过程已被研究得较为透彻，但它们的蛋白质组成以及清除途径却依旧迷雾重重。目前，关于聚集体小体清除的研究存在诸多问题。以往的实验系统常常通过人为地高表达易聚集蛋白来诱导聚集体小体的形成，这种方式不仅导致蛋白表达水平不统一，难以精确控制，而且无法准确捕捉聚集体小体形成和清除的时间进程，使得研究结果的解读变得困难重重。此外，虽然已知聚集体小体的清除与自噬和蛋白酶体降解有关，但具体的分子机制和事件发生顺序仍不清楚。
为了揭开聚集体小体清除的神秘面纱，德国维尔茨堡大学（University of Würzburg）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解细胞如何维持蛋白质稳态提供了重要线索。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展这项研究。在细胞模型构建方面，他们通过对 HeLa 细胞、SH - SY5Y 细胞等多种细胞系进行处理，模拟聚集体小体的形成和清除过程。利用 CRISPR - Cas9 技术构建了基因敲除细胞系，如 TAX1BP1 和 DNAJB6 敲除细胞池，以探究相关基因的功能。在蛋白质分析技术上，采用了免疫印迹（immunoblotting）来检测蛋白质的表达和修饰水平；运用接近蛋白质组学（proximity proteomics）技术，结合 TurboID 生物素连接酶，鉴定与聚集体小体相关的蛋白质；借助免疫荧光显微镜（immunofluorescence microscopy）和 3D 结构光照明显微镜（3D structured illumination microscopy），直观观察细胞内聚集体小体、自噬体等结构的动态变化。
聚集体小体由内源性蛋白质形成并通过选择性自噬清除
研究人员首先建立了能够追踪聚集体小体形成和清除过程的实验条件。他们用蛋白酶体抑制剂硼替佐米（Bortezomib，Btz）处理 HeLa 细胞，发现经过 8 小时处理后，约 15% 的细胞出现了泛素（Ub）阳性、波形蛋白包裹的核周聚集体小体。在去除 Btz 并恢复 15 小时后，这一比例增加到约 40%，随后在 22 - 36 小时内逐渐恢复到应激前水平。进一步研究表明，聚集体小体的清除是通过自噬进行的，这一过程伴随着脂化 LC3 的显著增加，且依赖于 ATG7 蛋白。同时，研究人员还发现选择性自噬受体（SAR）TAX1BP1 在聚集体小体的清除中发挥着关键作用，它能与聚集体小体共定位，并且其缺失会显著影响聚集体小体的清除效率。
聚集体小体存在多种蛋白质质量控制系统
为了深入了解聚集体小体的组成，研究人员利用表达 TurboID - TAX1BP1 融合蛋白的敲入细胞系进行接近蛋白质组学分析。结果发现，聚集体小体中富含自噬相关蛋白、26S 蛋白酶体、分子伴侣、p97 以及其他一些蛋白质。通过免疫荧光显微镜和免疫印迹验证了这些蛋白质与聚集体小体的关联。这一结果表明，聚集体小体是一个复杂的结构，包含多种参与蛋白质质量控制的系统。
p97 和 Hsp70 解聚酶介导聚集体小体解体
面对聚集体小体中众多的蛋白质质量控制系统，研究人员想知道它们各自在聚集体小体清除中扮演着怎样的角色。他们在聚集体小体形成后的恢复阶段添加 PQC 系统的药理学抑制剂，发现 p97 抑制剂 CB - 5083（CB）能完全阻断聚集体小体的清除，Hsp70 抑制剂 VER - 155008（VER）有中等程度的影响，而 26S 蛋白酶体抑制剂 Btz 对聚集体小体解体的影响较小。这表明 p97 和 Hsp70 在聚集体小体解体过程中起着关键作用，而 26S 蛋白酶体主要负责降解较小的聚集体。此外，研究还发现 Hsp70 的辅助伴侣 DNAJB6 敲除会严重损害聚集体小体的清除，进一步证实了 Hsp70 - DNAJB6 轴在聚集体小体解体中的重要性。
聚集体小体清除在多种细胞类型中依赖 p97
研究人员还探究了 p97 依赖的聚集体小体清除在其他细胞类型中的重要性。他们在视黄酸分化的 SH - SY5Y 细胞、非转化的人 ARPE - 19 上皮细胞、人 A549 肺癌细胞和小鼠 C2C12 成肌细胞系中进行实验，发现 p97 在这些细胞中均对聚集体小体的清除至关重要。在 SH - SY5Y 细胞中，用 MG - 132 处理诱导聚集体小体形成，去除抑制剂后，聚集体小体可在恢复阶段被有效清除，但加入 p97 抑制剂 CB 后，清除过程被阻断。这一结果表明，p97 依赖的聚集体小体清除机制在多种细胞类型中具有普遍性。
UFD1 - NPL4 和 FAF1 对高效聚集体小体清除至关重要
p97 的细胞功能由多种辅因子调控。研究人员通过免疫荧光显微镜筛选聚集体小体中 p97 的辅因子，发现 UFD1、NPL4、FAF1 等辅因子与聚集体小体相关。进一步研究表明，UFD1 - NPL4 和 FAF1 在聚集体小体清除中发挥着不可或缺的作用。siRNA 介导的 UFD1 或 NPL4 缺失会显著损害聚集体小体的清除，同时，FAF1 的缺失也会对清除过程产生明显影响。此外，UFD1 - NPL4 和 FAF1 的缺失会减少 p97 向聚集体小体的招募，表明它们在 p97 介导的聚集体小体蛋白解折叠或解聚过程中起着重要的协同作用。
聚集体小体客户端蛋白通过不同途径降解
研究人员聚焦于聚集体小体中的特定蛋白，如 AMOTL2、PLEK2 和 FAM83D 等，探究它们的降解途径。研究发现，AMOTL2 主要是一种不依赖 p97 和 Hsp70 的蛋白酶体底物，在聚集体小体清除过程中，其降解主要由 26S 蛋白酶体介导。而 PLEK2 的清除则涉及 26S 蛋白酶体、p97、Hsp70 和自噬等多种途径，且有部分 PLEK2 会被隔离到自噬体中，通过 aggrephagy 途径降解。FAM83D 虽然也存在于聚集体小体中，但其泛素化情况在聚集体小体形成和清除过程中未被检测到，推测它可能是一种通过 aggrephagy 部分清除的 “旁观者” 蛋白。此外，研究人员还对与神经退行性疾病相关的 TDP - 43 变体进行研究，发现它是一种依赖 p97 的聚集体小体客户端蛋白，至少部分通过 aggrephagy 降解。
p97 介导的聚集体小体解体是其被自噬吞噬的必要条件
最后，研究人员探究了 p97 活性对聚集体小体被自噬吞噬的影响。他们发现，在 p97 抑制剂存在的情况下，聚集体小体的解体受到显著抑制，同时 aggrephagosome 的形成也明显减少。尽管聚集体小体上的 SARs（如 p62 和 TAX1BP1）定位正常，且自噬起始相关的蛋白（如 WIPI2 和 ATG12）也存在于聚集体小体上，但聚集体小体仍无法被有效包裹进自噬体。这表明 p97 介导的聚集体小体解体是其后续被自噬吞噬的先决条件。
综上所述，该研究首次详细阐述了内源性聚集体小体的清除机制。研究表明，TAX1BP1 在成熟内源性聚集体小体的清除中起着不可或缺的作用，p97 和 Hsp70 是聚集体小体解体的关键，它们先将聚集体小体分解为较小的片段，然后这些片段通过 TAX1BP1 依赖的 aggrephagy 途径被清除。此外，研究还发现 UFD1 - NPL4 和 FAF1 是 p97 介导的聚集体小体解体所必需的辅因子，它们在聚集体小体蛋白的解折叠或解聚过程中协同发挥作用。
这项研究的意义重大。它为我们深入理解细胞如何维持蛋白质稳态提供了关键信息，有助于揭示神经退行性疾病等与蛋白质聚集相关疾病的发病机制。例如，研究中发现的 p97 和 DNAJB6 在聚集体小体清除中的关键作用，可能与某些神经肌肉疾病的发生发展密切相关。这一成果为开发针对这些疾病的治疗策略提供了潜在的靶点和理论基础，有望推动相关疾病治疗方法的创新和发展。
