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Cell丨小分子靶向溶酶体降解逆转蛋白质错误折叠相关疾病

BioArt · 公众号 · 生物 · 2019-09-14 09:05

正文

撰文 | 向日葵

责编 | 兮

蛋白质错误折叠和堆积可引起细胞毒性，会导致蛋白质疾病，例如肌萎缩侧索硬化（ALS）、帕金森氏病和色素性视网膜炎（RP）等病人里会出现毒性蛋白的堆积【1】。有些蛋白质疾病，如RP，其特征是分泌途径中错误折叠蛋白的积累【2】。真核细胞的早期分泌途径中内质网ER和高尔基体分泌功能的维持需要顺向转运蛋白COPII和逆行转运蛋白COPI介导的囊泡转运的平衡。分泌蛋白负荷增加会激活细胞未折叠蛋白反应(UPR)，以确保细胞内环境的稳定。然而，在细胞过度或长期应激的情况下，UPR的保护能力不足以恢复体内平衡，从而触发细胞死亡，这是许多蛋白质疾病的一个特性【3】。

常染色体显性遗传肾小管间质性肾病（MKD)是由MUC1基因移码突变引起，在已知的MKD病例中，移码突变会产生新的蛋白MUC1-fs堆积【4】。MKD的特点是小管间质缓慢病变，这会导致肾衰竭【5】。迄今为止，引起MKD的分子机制尚不清楚，也没有有效的治疗方法。

近日，来自麻省理工学院和哈佛大学的Anna Greka团队在Cell上发表了题为：Small MoleculeTargets TMED9 and Promotes Lysosomal Degradation to Reverse Proteinopathy 的研究成果，研究人员发现MKD是一种毒性蛋白病，细胞内MUC1的突变蛋白MUC1-fs堆积在早期分泌过程含有TMED9受体的囊泡中，激活了ATF6介导的UPR反应。研究人员鉴定出一种小分子BRD4780，与TMED9直接结合，从而释放MUC1-fs，使其进入溶酶体降解，可以清除患者细胞、转基因小鼠肾脏和病人肾脏中的MUC1-fs。这一研究结果揭示BRD4780是治疗MKD和其他毒性蛋白疾病的非常有价值的线索。总结来说，研究人员阐明了错误折叠的蛋白质会被转运受体捕获而造成堆积的新机制，并且他们为错误折叠的蛋白质重新释放和运输到溶酶体降解提供了新的策略。

为了探究引起MKD的分子机制，以及寻找有效的治疗方法，研究人员首先对MKD患者的肾脏穿刺病理切片进行检测，该患者是移码突变(MUC1wt/MUC1fs)的杂合体患者，肾组织表现为肾小管萎缩、肾小管扩张和部分间质纤维化。非常有意思的是，研究人员发现野生型(MUC1-wt)蛋白正常位于远端小管和收集管的顶膜位置，而突变型(MUC1-fs)蛋白在细胞内积累。研究人员进一步得到了转基因MUC1fs/+杂合子小鼠，小鼠也表现出管状扩张和间质纤维化特征，且MUC1-wt 和MUC1-fs蛋白的分布与病人一致(图一)。

图一：突变的MUC1-fs堆积在管状上皮细胞胞内

进一步研究人员取MKD患者的肾小管上皮细胞，并使其成为永生化细胞系(P细胞)，与之相对应的是从一个正常人肾脏获得的小管上皮细胞系(N细胞)。为了揭示MUC1-fs的积累改变上皮细胞功能的分子机制，研究者检测了调控细胞蛋白稳态的UPR信号通路。非常有意思的是，细胞内MUC1-fs积累激活ATF6介导的UPR反应,而不是其他两条PERK和IRE1介导的UPR。与N细胞相比，抑制ATF6的表达导致MUC1-fs在P细胞中的积累增强，P细胞凋亡显著增加，提示ATF6介导的UPR反应特异性上调，用于保护P细胞免受MUC1-fs堆积的毒性作用。

为了鉴定能够去除MUC1-fs的化合物，研究人员利用全自动染色和共聚焦成像显微镜系统，以384孔的形式同时评估MUC1-wt、MUC1-fs的含量和细胞数量，进行高通量筛选3713个临床前和临床上不同阶段的化合物。经过筛选，研究人员发现只有BRD4780，可以减少MUC1-fs且不影响MUC1-wt的量，而且BRD4780对于MUC1转录表达调控并没有影响，此外BRD4780可以拯救THP（毒胡萝卜素）诱导的P细胞死亡 (THP是一个常用的诱导ER应激的化合物，可引起P细胞凋亡)。进一步，研究人员证明BRD4780可以清除患者iPS细胞衍生的类肾脏器官中的MUC1-fs蛋白（图二）

图二：BRD4780特异性清除突变的MUC1-fs

为了确定MUC1-fs确切堆积的位置，研究人员使用分泌过程中不同区域的标记物进行了全面的共定位研究。非常有意思的是，MUC1-fs与介导蛋白从ER到高尔基运输的受体TMED9在P细胞和小鼠肾小管上皮细胞细胞中以囊泡形式共定位。TMED9在高表达MUC1-fs的肾细胞中表达显著增强。BRD4780直接靶向TMED9与之结合，从而释放MUC1-fs，并重新进入溶酶体降解。最后，研究人员还发现BRD4780能有效去除几种错误折叠的蛋白质，例如突变的UMOD，Rhodopsin，这些发现说明BRD4780对于分泌蛋白突变引起的毒性蛋白病变有很大治疗潜力。

图三：MUC1-fs滞留在含TMED9受体的囊泡中，BRD4780直接与TMED9结合减少MUC1-fs的堆积

总的来说，MUC1的突变蛋白MUC1-fs堆积在早期分泌过程含有TMED9受体的囊泡中，对肾脏细胞造成毒性。小分子化合物BRD4780与转运受体TMED9结合，释放MUC1-fs，促使其重新进入溶酶体。BRD4780可以清除患者细胞、转基因小鼠肾脏和病人肾脏中的MUC1-fs，从而减少细胞的死亡。这一研究成果为以后我们探索治疗MKD和其他毒性蛋白疾病提供了的一个非常有价值的指导方向。

小分子靶向TMED9促进溶酶体降解逆转蛋白质病

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.002

制版人：小娴子

参考文献

1. Dubnikov,T., T. Ben-Gedalya, and E. Cohen, ProteinQuality Control in Health and Disease. Cold Spring Harb Perspect Biol,2017. 9(3).

2. Athanasiou,D., et al., The molecular and cellularbasis of rhodopsin retinitis pigmentosa reveals potential strategies fortherapy. Prog Retin Eye Res, 2018. 62:p. 1-23.

3. Lavin,P., et al., Regulating SecretoryProteostasis through the Unfolded Protein Response: From Function to Therapy.J Am Soc Nephrol, 2017. 27(10): p.722-737.

4. Zivna,M., et al., NoninvasiveImmunohistochemical Diagnosis and Novel MUC1 Mutations Causing AutosomalDominant Tubulointerstitial Kidney Disease. 2018. 29(9): p. 2418-2431.

5. Bayer,T.A., Proteinopathies, a core concept forunderstanding and ultimately treating degenerative disorders? EurNeuropsychopharmacol, 2015. 25(5):p. 713-24.