Cell：清华葛亮团队为神经退行性疾病提供治疗新靶点｜对话科学家
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生命科学
Life science
2022年4月1日，清华大学生命科学学院的葛亮团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell上发表了题为“CCT2 is an aggrephagy receptor for clearance of solid protein aggregates”的研究论文。文章首次报道了一种可以特异性降解固态蛋白聚集体的自噬受体CCT2，为治疗由蛋白聚集体引起的疾病，尤其是神经退行性疾病提供了重要的靶点。
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随着世界人口老龄化进程的加快，神经退行性疾病正在影响着越来越多的人群。世界卫生组织预测，到2040年，神经退行性疾病将成为人类第二大致死疾病。然而，目前世界范围内还没有任何一种药物能够有效地治疗神经退行性疾病。毒性蛋白聚集体的形成是导致神经退行性疾病的一个重要因素，如何有效地清除毒性蛋白聚集体也是治疗神经退行性疾病的重要思路。
细胞自噬是清除细胞内毒性蛋白聚集体的重要方式，而自噬体对聚集体的选择性一直没有得到很好的解释。已知的泛素结合受体(P62、NBR1和TAX1BP1)可以介导自噬体对聚集体的识别过程，但这些受体不仅缺乏特异性，而且对致病性较强固态的聚集体几乎无能为力。因此，寻找更加特异性并且能够降解固态聚集体的受体是通过靶向自噬途径治疗神经退行性疾病的关键。
葛亮团队通过建立巧妙的体外筛选系统，在聚集体上找到了一个能招募自噬体的蛋白CCT2。作为分子伴侣chaperonin复合体的一个亚基，CCT2能够结合并帮助错误折叠蛋白正确地折叠，这一功能被大家所熟知。在此项研究中，研究人员发现，CCT2可以通过非泛素依赖的方式结合聚集体蛋白，并与自噬体膜上的关键蛋白LC3相互作用，以此来介导自噬体对聚集体的识别与降解。CCT2与蛋白聚集体的结合不依赖于泛素链，这在一定程度上保证了CCT2作为自噬受体的特异性。进一步研究发现，CCT2更倾向于促进固态聚集体的自噬性清除，这使其在疾病治疗中更具优势。
在探索CCT2作为自噬受体与其分子伴侣功能之间关系的过程中，研究人员发现蛋白聚集体的存在使CCT2的单体形式增多，而只有单体形式的CCT2才能够作为自噬受体促进聚集体的自噬性清除。这提示了CCT2从复合体到单体形式的转变，使其功能上实现了从分子伴侣到自噬受体的转变。这一发现为分子伴侣与细胞自噬之间的联系带来更多的思考。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者葛亮副教授代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
自噬是清除蛋白质聚集物的关键细胞过程，但是如何实现其选择性却一直没有得到很好的解释，请问这其中涉及哪些难点？
葛亮副教授：
聚集体自噬和其他很多选择性自噬一样，都存在着底物泛素化的过程，而目前在哺乳动物细胞中发现的一些聚集体自噬受体都含有泛素结合位点，这就意味着它们不仅能结合被泛素化的聚集体，有些还能结合被泛素化的其他底物，比如线粒体和溶酶体等。所以，最大的难点是在哺乳动物细胞中找到能够专门针对蛋白聚集体的受体。虽然在其他类型的选择性自噬中，已经发现了一些特异性的受体存在。比如在线粒体和内质网上都有特异性的锚定蛋白可以直接作为受体来介导线粒体自噬或内质网自噬。鉴于聚集体的特殊性，我们很难推测是否真的存在特异性聚集体受体以及这些受体的特性是什么。此前，张宏研究员实验室通过遗传筛选发现了多个线虫系统中特异聚集体受体，但是哺乳动物系统中蛋白聚集体的细胞内清除不是很彻底，加上聚集体受体可能是必须基因，因此很难通过遗传筛选和细胞成像手段寻找特异的聚集体受体。我们采用的手段是利用体外重建的方法模拟自噬体膜结合聚集体的过程，意外之中发现不同的聚集体募集自噬体膜蛋白LC3有所不同，因此我们想到可能聚集体成分的差异导致LC3结合不同。随后我们利用生化分离和蛋白质谱分析比较不同聚集体的成分，并锁定了CCT2作为研究对象。可以说该发现带有一定的运气成分。
CellPress：
请问在清除蛋白质聚集物的类型选择上，CCT2 与已知的泛素结合受体(P62、NBR1和TAX1BP1)有何差异？
葛亮副教授：
首先，CCT2能够结合非泛素化的蛋白聚集体，这是泛素结合受体所不能的。更重要的是它们在对蛋白聚集体状态的选择上的差异。传统的受体更倾向于降解有流动性的蛋白凝集颗粒，而CCT2则对具有致病性的固态聚集体更有效果。最后，由问题一答案所述，P62、NBR1和TAX1BP1的特异性是泛素而非聚集体，相比之下，作为分子伴侣的CCT2特异集合错误折叠蛋白因此更特异识别聚集体。
CellPress：
请问CCT2 是通过怎样的方式清除蛋白质聚集物的？
葛亮副教授：
一方面CCT2通过apical domain结合蛋白聚集体，另一方面通过一个我们称之为VLIR motif的位点结合自噬体膜上的LC3蛋白，这样就像一个搬运工一样将蛋白聚集体运送到自噬体中进行后续的降解。而且CCT2自己也会进入到自噬体中，以一种“自杀”的方式介导聚集体的清除。
CellPress：
请问具有聚集倾向的蛋白积累与CCT2单体的形成间有何关联？CCT2是如何实现从分子伴侣到自噬受体的功能转变的？
葛亮副教授：
我们发现聚集体蛋白的积累会使CCT2单体增多，这有两种解释：一是聚集体蛋白的形成阻碍了CCT复合体的形成，这可能是由于聚集体蛋白的存在导致细胞的蛋白稳态紊乱，使CCT复合体的8种亚基不能按需合成，或者其中一些亚基对聚集体蛋白的结合能力更强，优先结合到聚集体蛋白上而不去参与CCT复合体的组装。二是聚集体蛋白促使已经形成的CCT复合体发生了解聚，这可能与CCT复合体的构象变化有关：CCT复合体在介导蛋白折叠时会发生一个构象的改变，在预备状态下是一个松散的“开放”状态，当底物运送到CCT复合体的桶状中心后，复合体会关闭两端的“盖子”，呈现出一种紧密的“关闭”状态，底物的折叠就是在这样密闭的环境中进行的。而如果是一个已经有一定聚集程度的蛋白进入到桶内，复合体的“盖子”很有可能因为底物太大而关不上，这时整个复合体就会处于一种较为松散的状态，再伴随着ATP水解导致CCT亚基构象的变化，就很有可能造成复合体的解聚，从而释放出单体。对于这两种假设我们还需要更深入地探索。
作为分子伴侣，CCT2必须在CCT复合体中与复合体一起参与蛋白的折叠功能。此时CCT2上与LC3的结合位点VLIR motif会被埋在复合体内部，这种情况下CCT2不能作为自噬受体。而聚集体蛋白的存在使CCT2单体形成，这样VLIR motif就会暴露在CCT2表面，使CCT2能够结合LC3，从而变成一个自噬受体介导聚集体自噬。
CellPress：
本研究鉴定了CCT2在清除蛋白质聚集物方面的功能，请问这将为理解和治疗与蛋白质聚集相关的人类疾病提供怎样的帮助？
葛亮副教授：
提到蛋白质聚集体，我们很容易想到分子伴侣，因为分子伴侣在防止蛋白聚集的过程中发挥重要作用。我们首次发现以CCT2为代表的分子伴侣蛋白可以作为聚集体自噬受体来帮助聚集体的清除，这让我们开始重新理解蛋白聚集体上的分子伴侣的作用，这将为靶向CCT2或其他分子伴侣来治疗聚集体相关疾病时提供更充分的考量。我们也正在神经退行性疾病模型的小鼠上开展关于CCT2生理功能的探究，期待能够看到CCT2在治疗神经退行性疾病中的作用，为疾病患者带去希望。
作者介绍
马欣宇
博士生
论文第一作者，马欣宇，清华大学生命科学学院博士生，本科毕业于南开大学，2017年进入清华大学生命科学学院，师从葛亮副教授，致力于细胞自噬性清除蛋白聚集体的研究。曾获得清华大学“未来学者奖学金”、博士生国家奖学金。
葛亮
副教授
论文最后通讯作者，葛亮，本科毕业于山东师范大学生命科学学院。获中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所博士学位。随后在美国加州大学伯克利分校作为博士后从事细胞自噬方面的研究工作。期间获得Jane Coffin Child Foundation Fellowship、Human Frontier Science Fellowship和NIH Pathway to Independence Award。2017年回国在清华大学生命科学学院任职，现为副教授，中国生物物理学会亚细胞器分会副会长，中国细胞生物学会细胞器分会副秘书长，主要从事细胞内膜系统形态和功能学研究。代表性有研究成果1：发现了内质网高尔基体中间体（ERGIC）膜蛋白TMED10参与非经典蛋白分泌，并揭示了一条TMED10介导的非经典分泌蛋白跨膜转运的分子通路（THU通路），解答了非经典分泌邻域无信号肽蛋白如何进入分泌途径的关键问题（Cell，2020）；2：发现新型内膜体ERGIC-ERES互作调节自噬体的形成 ，解答了细胞自噬领域自噬体膜来源和组装的重要问题（Cell Research，2021）；3.发现新型自噬受体CCT2介导固态聚集体的自噬降解（Cell， 2022）。
相关论文信息
▌论文标题：
CCT2 is an aggrephagy receptor for clearance of solid protein aggregates
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00265-3
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.005
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