受極端耐受生物啟發，表達利用天然和設計的極端耐性相關蛋白在人體細胞中表達

極端微生物對抗極端環境的生存策略是近年來的研究熱點之一。2021年12月，麥吉爾大學的科學家從南極洲麥克默多干谷15萬年前的永久凍土層中分離出新型嗜極酵母，發現了它在低溫下可從呼吸作用轉為乙醇發酵適應寒冷。

近日，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的研究人員，在ACS Synthetic Biology期刊上，在線發表了論文Natural and Designed Proteins Inspired by Extremotolerant Organisms Can Form Condensates and Attenuate Apoptosis in Human Cells。論文指出，許多生物體被置于極端條件下時，能夠存活并成功地恢復到正常生存狀態。出現這種極端耐受行為，部分原因是，生物體面對極端環境啟動自我保護機制，上調蛋白表達，涉及到的蛋白包括重復蛋白、兩親性蛋白質和天然無序蛋白。

其中的保護機制尚不清楚，對此有以下兩種主要假說。

一種假說認為，這些蛋白質中至少有一部分介導了整個細胞內物質的凝膠或玻璃狀狀態的形成，以保護其免受損害。該模型假設這些蛋白質與膜和其他蛋白質雜交，增加細胞內黏度，保護脆弱結構。

另一種假說認為，這些蛋白質形成細胞內相分離的無膜隔室，具有不同的物理參數（此處稱為凝聚物），可劃分關鍵的應力敏感細胞成分。在這些致密的蛋白質結構中，基本成分被隔離并保護免受損害。

兩種假說并不相互排斥。例如，在耐干燥的情況下，持續脫水可能導致相分離的隔室融合，并促進玻璃態材料狀態。

目前，越來越清楚的是生物相分離可能發揮重要作用，且人類細胞可以采用類似的策略在壓力條件下生存。

極端耐受相關蛋白的序列特征可能與哺乳動物的應激耐受途徑有關，包括減少細胞凋亡。之前的報道已經表明，極端耐受相關蛋白進行異源表達時，也表現出類似的保護特性。例如，在脫水過程中線蟲Aphelenchus avenae上調的LEA蛋白，在人類細胞中表達會抑制PABPN1-A17的聚集（眼咽型肌營養不良的標志），改善肌營養不良癥狀;類似的案例還有，來自非洲蠓的LEA蛋白和來自緩步動物的TDP蛋白，在人類細胞中表達均呈現類似保護作用。這些發現加強了將保護性表型從其自身環境轉移到人類細胞的潛力。

研究人員組裝了一個包含大約300種天然存在和設計的極耐受相關蛋白的文庫，以評估它們保護人類細胞免受化學誘導的細胞凋亡的能力。蛋白質庫包括104種自然存在的蛋白質，166種螺旋區截斷或分離的蛋白質，以及19種從頭設計的蛋白質。

蛋白文庫

為了驗證序列特征及其與相分離和細胞凋亡關系的假設，研究人員在ExTol蛋白組的基礎上設計了新的蛋白。這些新設計采用了三種方法：對蛋白質進行截斷，聚焦于重復蛋白、兩親性蛋白質和天然無序蛋白區域;分離出具有所需序列特征的單個螺旋;以及從頭設計含有α螺旋的蛋白質，使其自我組裝成高階結構。

研究表明，來自緩步動物、線蟲和中國大鯢的幾種蛋白質具有細胞凋亡保護作用。設計合成的蛋白質比天然存在的蛋白質具有更強的功能。

值得注意的是，研究人員確定了人類APOE蛋白的一個區域也可以防止細胞凋亡，該區域與極耐受相關蛋白相似。另外，一種合成蛋白DHR81也有同樣效果。

APOE在健康人體內的極低密度脂蛋白中發現，主要合成場所為肝臟，是一種能夠結合和轉運脂質的特殊蛋白，同時也參與著體內總膽固醇的逆向轉運，是一種多態性蛋白，可調節多種生物學功能。

研究數據表明，凝聚物的形成在這些蛋白質的抗凋亡中起作用，且通過工程誘導系統增加凝聚物的量，能夠增強減少細胞凋亡的作用。但除了凝聚物的形成外，仍存在尚未發現的其它保護機制。

總而言之，該研究擴展了對凝聚物形成與細胞生理學之間關系的理解，展示了凝聚物積累如何有助于減少細胞凋亡，同時還確定了極端耐受相關的多種新蛋白質結構域。（綜合整理報道） （編輯/多洛米）