扁菱形蛋白酶打破穿過細(xì)胞膜時的“細(xì)胞速度限制”

在一項新的研究中，來自美國約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)作為切割其他蛋白的特殊蛋白，扁菱形蛋白酶（rhomboid protease）能夠在它們穿過細(xì)胞膜時打破“細(xì)胞速度限制”。扁菱形蛋白酶通過扭曲它們的周圍環(huán)境來做到這一點，從而允許它們快速地從細(xì)胞膜的一端滑動到另一端。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年2月1日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Rhomboid distorts lipids to break the viscosity-imposed speed limit of membrane diffusion”。

細(xì)胞膜是包圍著細(xì)胞的脂肪層，并形成將細(xì)胞內(nèi)部和外部世界分隔開的邊界。人體中將近三分之一的基因編碼著建立這種邊界所需的蛋白，這就使得它成為一個非常擁擠的地方，很難從中穿過。

論文通訊作者、約翰霍普金斯大學(xué)分子生物學(xué)與遺傳學(xué)教授Sini?a Urban博士利用讓扁菱形蛋白酶發(fā)光的化學(xué)物對單個扁菱形蛋白酶進行標(biāo)記，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的運動速度比它們“應(yīng)該的”速度快得多。

在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)蛋白穿過細(xì)胞膜的速度遵循一個稱為薩夫曼-德爾布呂克粘度極限（Saffman-Delbrück viscosity limit）的數(shù)學(xué)方程式。它考慮到了蛋白的大小和形狀以及蛋白流過的液體的厚度或粘度。

在這項新的研究中，Urban及其團隊發(fā)現(xiàn)扁菱形蛋白酶并不是慢慢地穿過細(xì)胞膜，而是快速地移動，移動速度是根據(jù)薩夫曼-德爾布呂克粘度極限方程式預(yù)測的兩倍。

通過更仔細(xì)地研究扁菱形蛋白酶，Urban團隊發(fā)現(xiàn)它們在移動時與細(xì)胞膜中的脂肪相互作用并改變它們的形狀。這些脂肪變得不那么粘稠，從而允許這些較大的扁菱形蛋白酶滑過。

為什么有些蛋白需要快速移動？這些研究人員認(rèn)為扁菱形蛋白酶能夠產(chǎn)生這種能力的原因可能在于它們能夠快速穿過細(xì)胞膜，以便尋找進行切割的靶標(biāo)。在條件發(fā)生變化的情況下，這些靶標(biāo)中的一些必須從細(xì)胞膜上快速釋放出來，以便給其他細(xì)胞提供實時信號。細(xì)胞膜中的其他酶很可能也需要快速尋找它們的靶標(biāo)，因此了解這種情形在扁菱形蛋白酶中如何發(fā)生將有助于科學(xué)家們更多地了解這些蛋白及其在疾病中的作用。

扁菱形蛋白酶在地球上幾乎所有生命形式的細(xì)胞膜中都發(fā)現(xiàn)到，而且科學(xué)家們正在研究這種酶超家族作為治療寄生蟲感染、癌癥、炎癥和神經(jīng)變性的潛在靶標(biāo)。