分子伴侣-蛋白酶体复合物介导的蛋白聚集体片段化机制在选择性自噬中的关键作用

本研究揭示了DNAJB6-HSP70-HSP110分子伴侣模块与19S蛋白酶体调节颗粒(RP)协同组成的"片段化机器"(fragmentase)在蛋白聚集体自噬降解(aggrephagy)中的核心作用。研究人员通过化学诱导的PIM系统、电子断层扫描和超高分辨率成像等技术，首次在哺乳动物细胞中观察到蛋白聚集体被片段化后再被自噬体吞噬的动态过程。该发现为理解神经退行性疾病中蛋白聚集体的清除机制提供了新视角，对开发相关治疗策略具有重要指导意义。

　　

在细胞这个精密的"蛋白质工厂"中，蛋白质错误折叠和聚集就像生产线上的次品堆积，不仅占用宝贵空间，还可能引发连锁反应。这些蛋白聚集体与阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病等神经退行性疾病密切相关。虽然细胞已经进化出"质检系统"——自噬(aggrephagy)来清除这些"次品"，但为何有些顽固的聚集体能逃过清除？这个谜团一直困扰着科学家们。

Mario Mauthe等研究团队在《Nature Cell Biology》发表的研究，首次揭示了蛋白聚集体被自噬清除前必须经历的关键"加工"步骤。研究人员创造性地使用化学诱导的PIM(多聚化诱导颗粒)系统，这种系统能在活细胞中实时观察蛋白聚集体的形成和降解过程。通过结合超高分辨率显微镜、电子断层扫描和单分子成像等先进技术，他们捕捉到了聚集体被"切割"成小片段的关键瞬间。

关键技术方法包括：1)化学诱导的PIM系统实时追踪聚集体动态；2)免疫电子显微镜(IEM)和三维相关光电子断层扫描(3D-CLET)观察超微结构；3)单分子定位显微镜(SMLM)分析选择性自噬受体(SARs)的空间分布；4)RNA干扰筛选关键因子；5)使用HEK293和U2OS等细胞系构建的稳定表达系统。

研究结果部分：

"A chaperone-proteasome-based fragmentation machinery is essential for aggrephagy"：发现DNAJB6-HSP70-HSP110分子伴侣系统与19S蛋白酶体调节颗粒(19S RP)协同作用，将大蛋白聚集体切割成适合自噬体吞噬的小片段。

"A subset of chaperones and co-chaperones is required for the fragmentation and lysosomal turnover of amorphous aggregates"：通过siRNA筛选鉴定出DNAJB6是聚集体片段化的关键因子，而其他分子伴侣如DNAJA1/2或DNAJB1/4则非必需。

"DNAJB6 engages HSP70 and HSP110 to convey dualPIM aggregates to lysosomes"：证明DNAJB6通过其HSP70结合域(H31Q突变体失去功能)发挥片段化功能，且该过程需要HSP110核苷酸交换因子参与。

"Aggregate fragmentation requires 19S RPs"：19S蛋白酶体调节颗粒的ATP酶活性而非其泛素识别或去泛素化功能是片段化所必需的。

"Fragmentation is required for the formation of protein aggregate-sequestering autophagosomes"：三维电子断层扫描显示，缺乏片段化机器时，自噬前体(phagophore)无法在聚集体周围形成。

"SAR clustering induced by aggregate fragmentation and compaction triggers phagophore formation"：单分子成像揭示片段化促进选择性自噬受体(SARs)如TAX1BP1的局部聚集，从而启动自噬体形成。

"The fragmentase is required to clear protein aggregates via aggrephagy"：在嘌呤霉素诱导的聚集体和亨廷顿病相关HTT-polyQ¹¹⁹模型中验证了片段化机器的普适性功能。

这项研究颠覆了人们对蛋白聚集体自噬降解的传统认知，揭示了片段化是aggrephagy的关键限速步骤。特别值得注意的是，19S RP这一众所周知的蛋白酶体组分被发现了全新的非降解功能。这些发现为开发针对神经退行性疾病的新疗法提供了潜在靶点——通过增强细胞内的"片段化机器"活性，可能帮助清除致病性蛋白聚集体。此外，研究建立的多模态成像方法为研究其他大分子复合物的质量控制机制提供了范本。