，原本是形容人類工作狀態(tài)的詞語。但是，作為組成人體一切細胞和組織的重要成分，蛋白質(zhì)竟然也有“”？

日前，丹麥轉化神經(jīng)科學研究所助理教授和合作者，在一篇 Science 論文中介紹了蛋白質(zhì)在大腦突觸“打工”的現(xiàn)象。

圖 | 孫超（來源：）

蛋白質(zhì)降解，是細胞生物學里最基礎的過程之一。而本次發(fā)現(xiàn)讓人們重新認識了負責蛋白質(zhì)降解的主體——蛋白酶體。

研究中，他們在神經(jīng)突觸附近觀察到了大量沒有被組裝成完整蛋白酶體的 19S 零件。這他們非常吃驚，因為在大多數(shù)情況下，沒有被組裝起來的多余組分會被細胞當作“孤兒蛋白”來處理，因此這些多余的蛋白會被細胞及時地清除。

然而，在超分辨顯微鏡下，大約 70% 的蛋白酶體 19S 顆粒都處于游離落單的狀態(tài)，這讓他們懷疑蛋白酶體 19S 顆?？赡茉趩为毿袆?，并能執(zhí)行尚未知曉的功能。

（來源：Science）

一系列的實驗下來，他們發(fā)現(xiàn)蛋白酶體 19S 顆粒和很多重要的神經(jīng)突觸蛋白有著相互作用，并能修飾其蛋白表面的泛素信號。

值得一提的是，游離狀態(tài)下的蛋白酶體 19S 顆粒，更善于修飾一種非常規(guī)的泛素信號。通常，這種泛素化不會被蛋白酶體利用，因此并不會被當做降解信號。

在眾多 19S 識別的突觸蛋白中，有一種主要神經(jīng)遞質(zhì)受體。這種神經(jīng)遞質(zhì)受體決定了神經(jīng)突觸信息傳遞的靈敏性，并在神經(jīng)突觸可塑性中發(fā)揮著決定性作用。而游離狀態(tài)下的蛋白酶體 19S 顆粒，恰好可以調(diào)節(jié)這種神經(jīng)遞質(zhì)受體在突觸表面的數(shù)量和分布。

這也體現(xiàn)了細胞在組裝復雜的蛋白納米機器中的靈活性，即在離神經(jīng)元細胞體幾百上千微米遠的神經(jīng)突觸中，分子供給或許是十分捉襟見肘的。因此，緊俏的蛋白零件資源，需要得以充分靈活的利用。

盡管論文發(fā)在 Science，但是審稿之中也曾遇到坎坷。說：“雖然審稿人的總體意見從一開始就很積極，但是伴隨著審稿人的興奮和興趣，我們收到了很多的關于實驗的建議。大量的建議導致雜志編輯決定拒收論文第一稿。在我們的爭取之下，終于得到了改稿的機會，并在第二次審稿中成功解決了審稿人的問題?！?/p>

最終，相關論文以《大量的自由調(diào)節(jié)（19S）蛋白酶體顆粒調(diào)節(jié)神經(jīng)元突觸》（）為題發(fā)在 Science 上 [2]。

圖 | 相關論文（來源：Science）

是第一作者，德國馬克斯普朗克腦研究所（Erin M.Schuman）教授擔任通訊作者，后者也是的博后導師。

可以改寫教科書的新發(fā)現(xiàn)

據(jù)介紹在人類大腦之內(nèi)，僅僅一個神經(jīng)元就可以和其他神經(jīng)元形成一萬個神經(jīng)突觸。神經(jīng)突觸是信息傳遞和存儲的重要節(jié)點。在神經(jīng)突觸里，蛋白質(zhì)是主要的功能分子。因此，維護神經(jīng)突觸內(nèi)的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，是維持大腦功能的關鍵環(huán)節(jié)。

大腦可以存儲信息長達幾十年甚至一輩子。然而，突觸內(nèi)的蛋白質(zhì)分子壽命只有大約一周。因此，如何讓不穩(wěn)定的分子來存儲穩(wěn)定的記憶，便成為研究神經(jīng)蛋白穩(wěn)態(tài)的關鍵問題。

蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的重要一環(huán)，在于清除老化受損蛋白以及多余的蛋白。而多余蛋白的積累，是神經(jīng)退行性疾病最常見的征兆。

人體細胞中大部分蛋白質(zhì)的降解，是由一種蛋白質(zhì)納米機器來完成，這種納米機器叫做蛋白酶體，它是由幾十種蛋白組裝成的復合物。

蛋白酶體有兩個基本零件：一個是零件叫 19S 調(diào)節(jié)顆粒，用來識別即將被降解的蛋白；另一個零件叫做 20S 催化顆粒，用來降解蛋白。

通常，即將被降解的蛋白表面，會被修飾上一個名為泛素的小分子蛋白。泛素化，是細胞內(nèi)廣泛使用的一種降解信號。而 19S 調(diào)節(jié)顆粒正是通過識別這種降解信號，來捕獲老化的受損蛋白。

而本次成果讓人們對于神經(jīng)突觸亞細胞環(huán)境產(chǎn)生了新認識?！拔覀冊谡n本里學到的蛋白酶體僅僅被賦予降解蛋白的職能。但是，在神經(jīng)突觸里，蛋白酶體不僅有很多游離的部件，并且這些部件有著以前不為人知的與信息存儲息息相關的功能。”說。

而這項研究的順利完成，一定程度上也得益于其博后導師在幾十年的科研生涯里所建立的科研直覺。

“有一種中彩票的感覺”

工欲善其事，必先其利器。研究中，該團隊先是優(yōu)化了實驗分子工具和顯影方法。由于他們對蛋白酶體在神經(jīng)突觸的組裝狀態(tài)十分感興趣，因此希望借助先進的單分子原位顯影，來觀察和量化神經(jīng)突觸的蛋白酶體。

前前后后耗時一年左右，隨著數(shù)據(jù)的逐漸積累，他們意識到游離狀態(tài)下的蛋白酶體 19S 顆粒，可能會帶來讓人驚訝的發(fā)現(xiàn)。

說：“這也歸功于我的博后導師對于實驗結果敏銳的直覺，因為在生物學的實驗里，會有很多尚未解答的問題浮出水面，而選擇一個具有研究價值和潛力的問題往往是實驗成果的關鍵。”

畢竟，實驗資源和實驗者的精力都是有限的，而并非所有的未知問題都具備較高的研究價值。因此，具備較好的生物學“品味”和直覺，能夠更好地判斷研究課題的潛力，從而助推項目的進展。

憑著這種直覺，研究方向逐漸得以聚焦。課題組做了這樣一個決定：專攻游離狀態(tài)下的蛋白酶體 19S 顆粒。

有一天，注意到完整的蛋白酶體、和游離狀態(tài)的蛋白酶體 19S 顆粒中，它們可以各自識別不同的泛素化信號。

“在一個工作日的傍晚，實驗室里很安靜，我坐在免疫印跡顯影儀器前，并沒有預期手頭實驗會有任何超越常規(guī)的結果，所以心里毫無防備。但當電泳凝膠免疫印跡的圖像一點一點的掃描到電腦屏幕上時，我立刻意識到我們可能有了一個突破性的發(fā)現(xiàn)。不自主的興奮伴隨著渾身雞皮疙瘩，有一種中了彩票的感覺。”他說。

興奮之余，內(nèi)心也伴隨著不安，因為他想快速鎖定這個實驗結果?；谶@一結果，他意識到會產(chǎn)生大量的后續(xù)問題和實驗，因此非常希望火速知道這些問題的答案。

為此，他和同事采用多元化的實驗方法，并對大量假設進行驗證。等到第二年，整個課題的主體基本成型。隨后，便是整理數(shù)據(jù)和撰寫論文。

而這些成果的潛在影響在于，揭示了一個基于神經(jīng)突觸調(diào)節(jié)蛋白穩(wěn)態(tài)的新靶點。但是，游離狀態(tài)下的蛋白酶體 19S 顆粒，到底是如何調(diào)節(jié)突觸蛋白穩(wěn)態(tài)的？這依舊是一個待解難題。

但是，不少神經(jīng)退行性疾病例比如帕金森病和阿爾茲海默癥都存在蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)不平衡。那么，蛋白酶體 19S 顆粒在神經(jīng)退行性疾病中扮演著怎樣的角色？要想厘清這一問題，仍然需要大量的后續(xù)工作。

而本次成果給帶來的最大啟發(fā)在于：腦突觸的亞細胞環(huán)境是一個非常值得關注的問題。在這種特殊的亞細胞環(huán)境下，很多經(jīng)典的細胞生物學知識可能并不可靠。因此，他將擴大針對腦突觸的研究，嘗試了解更多蛋白質(zhì)納米機器的亞細胞特異性適應。

將探索腦突觸的“后勤”工作

如前所述，此前在德國馬普所完成了博后研究。如今，他已經(jīng)加入丹麥轉化神經(jīng)科學研究所任職。

其表示：“丹麥轉化神經(jīng)科學研究所是由全球最大的神經(jīng)科學基金組織 Lundbeck 基金會資助的研究所，Lundbeck 基金會也是全球神經(jīng)科學最高獎腦獎的頒發(fā)者。我在德國馬普所的博后導師 憑借對于神經(jīng)蛋白穩(wěn)態(tài)的貢獻，在 2023 年與其他兩位學者分得了這個獎?！彼^續(xù)說道：“丹麥轉化神經(jīng)科學研究所同時也是歐洲分子生物學實驗室的北歐合作伙伴，坐落于丹麥奧胡斯大學。發(fā)現(xiàn)了鈉鉀泵的科學家曾被授予諾貝爾獎，而這一發(fā)現(xiàn)恰恰源于奧胡斯大學?！?/p>

目前，該課題組專注于研究腦突觸的分子供給。每個神經(jīng)元都需要給分子資源提供大約一萬個突觸，而每個突觸都在相對獨立地處理和存儲信息，這給分子資源的在突觸之間分配和供給提出了極高的要求。

目前，該團隊旨在通過原位單分子蛋白顯影的技術，力圖理解腦突觸做好“后勤”工作的背后原理。而之所以選擇這樣的研究方向，是因為腦突觸后勤機制的薄弱環(huán)節(jié)，可能是神經(jīng)系統(tǒng)疾病的起始環(huán)節(jié)。

最后表示：“當下我們課題組正在組建隊伍，歡迎國內(nèi)對神經(jīng)突觸感興趣的碩士、博士生以及博士后加入我們的團隊?！?/p>

參考資料

1.https://.synaptic-logistics-lab.com/

2.Sun, C., Desch, K., Nassim-Assir, B., Giandomenico, S. L., Nemcova, P., Langer, J. D., & Schuman, E. M. (2023). An abundance of free regulatory (19 S) proteasome particles regulates neuronal synapses.Science, 380(67), eadf2018.

排版：朵克斯

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