捕捉巨型蛋白：抓取亨廷顿蛋白的五种新方法

亨廷顿病 (HD) 是由一种被称为亨廷顿 (huntingtin) 的单一基因发生变化引起的。该基因包含制造亨廷顿蛋白的指令。尽管发现 HD 基因已过去三十多年，科学家们仍在努力弄清楚亨廷顿蛋白在健康细胞中的确切作用，以及 HD 版本是如何导致疾病的。

进展如此缓慢的一个原因是亨廷顿蛋白非常难以研究。它体积庞大，折叠方式复杂，而且科学家现有的工具并不擅长抓取它。在一项新研究中，一个来自加拿大和日本的团队制造了全新的化学工具：被称为宏环 (macrocycles) 的微型蛋白环，可以在五个不同的位点抓取亨廷顿蛋白。那么他们制造了什么，学到了什么，以及为什么这对 HD 很重要？

难以看清的巨型蛋白

为了理解这一挑战，想象一下亨廷顿蛋白会有所帮助。如果大多数蛋白质像只有单一工作的普通家用电器，那么亨廷顿蛋白更像是一个完整的厨房——旨在同时支持许多不同的任务。

它是一条非常长的链，折叠成由弯曲桥连接的两个大团块。导致 HD 的遗传变化发生在亨廷顿蛋白的最开始处，那里一个简短的重复片段（由一种称为谷氨酰胺的构建块组成）发生了异常扩增。普通人通常有大约 20–35 个谷氨酰胺；在 HD 中，这个数字会超过 35，并可能达到 50、80 或更多。

亨廷顿蛋白在体内有很多工作。它帮助在细胞内移动物质，使细胞能够分裂，并清理垃圾。但我们并不确切知道它是如何完成这一切的。

我们确实可以肯定一件事：亨廷顿蛋白有一个最好的朋友叫 HAP40，这是一种粘附在它上面的较小蛋白，被称为结合伴侣。到目前为止，HAP40 是科学家拥有详细结构图谱的唯一结合伴侣。由于缺乏敏锐、特异的抓取工具，确定亨廷顿蛋白还做了什么以及与谁一起做一直受到限制。

构建分子抓钩

为了制造更好的工具，科学家们使用了一个名为 RaPID 的巧妙系统。可以将 RaPID 想象成微型肽（蛋白质的小片段）与亨廷顿蛋白之间的一场大型速配派对。团队制造了一个包含约一万亿个不同微型肽的超大集合——即 1 后面跟着 12 个零！

每个肽都被弯曲成一个封闭的环，有点像橡皮筋。环状或折叠的形状比直链更容易抓住物体，就像弯曲的曲别针可以钩住物体，而直金属丝只会滑过去。

每个微小的肽环都有自己的标签（由 DNA 制成）。因此，当一个环与亨廷顿蛋白结合时，科学家可以读取它的标签并确切知道它是哪种肽。他们进行了几轮“垂钓”，将肽环集合暴露于亨廷顿蛋白（无论是单独的还是与其朋友 HAP40 结合的）。他们将范围缩小到最粘的那些，最后有五个肽环脱颖而出，成为最佳的亨廷顿蛋白结合剂：HL2、HL5、HD4、HHL1 和 HHD3。

看清每个肽环确切的粘附位置

找到粘附在亨廷顿蛋白上的肽环只是第一步。接下来，科学家们想知道每一个肽环抓住了亨廷顿蛋白的哪个位置，以及抓得有多紧。他们使用了三种很酷的方法来弄清楚这一点：

• 测量环抓得有多牢的测试。所有五个环都抓得非常紧，强度足以成为有用的工具，甚至可能成为开发能够钓出有毒亨廷顿蛋白的潜在药物的起点。
• 一种名为 HDX-MS 的方法，它可以显示当环粘附在蛋白质上时，蛋白质的哪些部分被覆盖了。当环附着在亨廷顿蛋白上时，它会遮蔽某些位点，留下一个“脚印”，帮助科学家弄清楚环落在哪里。
• 冷冻电子显微镜 (cryo-EM)，这是一种超强大的显微镜，可以冷冻蛋白质并制作出清晰到可以看到单个原子的 3D 图像。（是的，它听起来确实很酷。）这显示了每个肽与亨廷顿蛋白的确切接触点。

以下是他们的发现：两个环（HL2 和 HD4）在远离其好友 HAP40 的位置抓取亨廷顿蛋白。

另外两个环（HHL1 和 HHD3）仅在 HAP40 存在时起作用，它们挤进两个朋友之间的一个小口袋，并折叠成数字 8 的形状以适应。

最后一个环 (HL5) 只喜欢单独存在的亨廷顿蛋白，没有 HAP40。

这里有一个重点：这五个环抓取健康亨廷顿蛋白和扩增亨廷顿蛋白的效果一样好，这在旨在研究健康和患病细胞中蛋白质的工具中特别有用。

在真实细胞中垂钓亨廷顿蛋白的朋友

有用的工具需要在现实生活中发挥作用，而不仅仅是在试管中。因此，科学家们在他们的肽环上添加了一个小钩子（称为生物素），就像鱼线上的鱼钩。科学家们将这些肽作为诱饵，看看他们是否能从培养皿中生长的人类细胞中捕捉到亨廷顿蛋白，以及粘附在它上面的任何其他东西。

亨廷顿蛋白的一个朋友脱颖而出，远超其他——HAP40。它在科学家尝试的每种细胞类型中反复出现，包括与 HD 中受损细胞相似的类脑细胞。即使在具有较长 CAG 重复序列（如 Q45 或 Q81）的细胞中，亨廷顿蛋白也总是粘附着 HAP40。

据报道，有 3,000 多种其他蛋白质会接触亨廷顿蛋白，但这项实验表明 HAP40 才是真正一直存在的那个。这有力地表明，亨廷顿蛋白和 HAP40 在大多数时间里作为一个单一单元发挥作用，而细胞内亨廷顿蛋白的“真实”形式可能几乎总是亨廷顿蛋白-HAP40 复合物。

为什么这对亨廷顿病很重要

这些新环目前还不是药物，科学家们也很谨慎地没有这样说。但它们开启了许多令人兴奋的大门。

首先，它们的效果与科学家以前用来粘附和可视化亨廷顿蛋白的工具（称为抗体）一样好，但它们更小、更便宜，并且可以抓取亨廷顿蛋白的许多不同部分，而不仅仅是一个。它们也足够小，可能能够滑入活细胞并结合亨廷顿蛋白，这是目前的抗体无法做到的。这将让科学家能够以目前不可能的方式研究活细胞内的亨廷顿蛋白。

其次，这些粘附在亨廷顿蛋白上的肽环的高分辨率 3D 图像就像未来药物设计的蓝图。例如，8 字形显示了亨廷顿蛋白与 HAP40 会合处的两个小口袋，未来的药物可以以此为目标，潜在地“钓出”有毒的亨廷顿蛋白。这些环还可能被用作酷炫新工具的“抓取”部分，例如 PROTACs（告诉细胞将亨廷顿蛋白扔进垃圾桶的工具）或 PET 示踪剂，可以帮助医生可视化患者大脑内的亨廷顿蛋白。

第三，亨廷顿蛋白在细胞内几乎总是与 HAP40 在一起这一事实，重塑了我们应该如何对待它。如果我们想了解亨廷顿蛋白的作用，或者当它发生变化并变得有毒时如何修复它，我们可能需要研究它与 HAP40 的结合体，而不是它本身。科学家们现在拥有一套更敏锐的工具来调查亨廷顿蛋白是否可以在没有 HAP40 的情况下发挥作用这一谜团。

展望未来

像所有科学一样，这篇论文留下了很多问题。这些环以同样的方式抓取健康和 HD 亨廷顿蛋白亨廷顿蛋白 这个蛋白是由亨廷顿基因产生的，因此它们还不能告诉我们如何只针对有害的那种，这是研究人员仍在努力的方向。

接下来的步骤将在活体动物体内测试它们，并重新设计它们以潜入细胞。还发现了一些新的可能的亨廷顿蛋白结合伴侣，如 ACADVL 和 HEY1，对此需要更多的测试来确认。

这项研究为 HD 社区提供了一套全新的工具，用于研究一种非常难以抓取的蛋白质。就像神奇的显微镜改变了科学家能看到的东西一样，这些微小的肽环有望改变我们对亨廷顿蛋白在健康、疾病以及寻找治愈方法中的功能的探索。

摘要

• 亨廷顿病 (HD) 是由一种使亨廷顿蛋白异常变长的变化引起的。科学家们仍然不完全了解这种蛋白质的作用，因为它体积庞大，且难以用现有工具进行研究。
• 该团队使用名为 RaPID 的系统测试了约一万亿个微小的环状蛋白片段，并确定了五个能紧密且特异地粘附在亨廷顿蛋白上的片段，每个片段都在一个不同的、明确的位点。
• 高分辨率显微镜显示了这些环是如何附着在亨廷顿蛋白上的。其中两个甚至折叠成酷炫的 8 字形，以适应亨廷顿蛋白与其好友 HAP40 之间的口袋。
• 当这些环被用来从真实的人类细胞中“钓出”亨廷顿蛋白时，无论细胞类型或 CAG 重复序列的长度如何，它们几乎总是连同 HAP40 一起抓获。
• 这些环相对便宜、微小且灵活，因此它们可能有助于创造未来的 HD 药物、脑成像工具以及破坏有害亨廷顿蛋白的新方法。