《PNAS》：蛋白α1抗胰蛋白酶(AAT)的表達和成熟圖譜

馬薩諸塞大學阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)和馬薩諸塞大學陳醫學院(UMass Chan Medical School)的研究人員最近宣布，他們以前所未有的清晰程度繪制了蛋白α -1抗胰蛋白酶(AAT)的表達和成熟圖譜，這是一項尋求更好的基因療法來治療一系列疾病的重大新進展。研究結果詳細描述了這種蛋白質的分子折疊，發表在《PNAS》并將有助于開發治療被稱為α -1抗胰蛋白酶缺乏癥的遺傳疾病的特定療法，以及更有效地治療廣泛的遺傳疾病。

近年來，疾病治療發生了一場革命。現在我們已經清楚，當我們自己的身體產生基因層面的功能失調蛋白質時，就會出現一系列疾病，比如AAT缺陷。產生有缺陷的AAT或數量不足的AAT可導致嚴重的肺和肝臟疾病。治療這些疾病的方法要么是將缺失的蛋白質輸送到身體，要么更好的方法是，通過將特定蛋白質產生基因的完整拷貝引入正確細胞的DNA，教會身體為自己制造缺失的蛋白質。

但要教會身體制造一種缺失的蛋白質并非易事。要做到這一點，你首先需要將正確的蛋白質產生基因注入體內，通常是通過肌肉注射(即注射)，并將其注入產生這種蛋白質的特定細胞。接下來，你必須確保一旦身體開始合成之前缺失的蛋白質，蛋白質就能正確折疊成合適的最終形狀——就AAT而言，這個形狀看起來就像一個裝滿了東西的捕鼠器，隨時可以彈起。最后，正確折疊的蛋白質需要從細胞到達體內任何需要它的地方。

這是一個非常復雜的系列問題，需要一個在分子生物學、細胞生物學、蛋白質折疊和基因治療方面具有專長的研究團隊，以及進行這項工作的尖端研究設施，例如馬薩諸塞大學阿默斯特應用生命科學研究所的醫學模型中心，該中心擁有完成大部分研究的實驗室。“這個項目是十多年合作的結果，涵蓋了從實驗室基礎科學到臨床應用的各個領域，”馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校生物化學和分子生物學教授、該論文的合著者之一丹尼爾·赫伯特(Daniel Hebert)說。故事從特倫斯·R·弗洛特(Terence R. Flotte)開始，Flotte是基因療法的先驅，他已經開發出一種使用無害的腺相關病毒(AAV)作為載體進行基因療法的方法。Flotte說:“我們已經完成了三個臨床試驗，在這些試驗中，我們將含有正常AAT基因的AAV注射到肌肉中，以在AAT缺乏的患者中產生蛋白質的‘持續釋放’。但直到現在，我們還不知道AAT蛋白在肌肉生化水平上是如何處理的。”

然而，并不是所有的身體細胞都有能力制造身體所需的所有蛋白質。例如，AAT最好在肝臟中制造。但是，由于大多數注射發生在肌肉中——想想你胳膊里的注射——研究小組需要弄清楚如何讓肌肉細胞在產生AAT時更像肝細胞一樣，然后如何讓肌肉中產生的AAT到達需要它的肺部和肝臟。

事實證明，Hebert是這些問題的專家，在證實肌肉細胞不容易產生AAT后，他幫助開發了一種技術，使用一種被稱為變形平衡調節劑的化學物質，即亞酰苯胺羥肟酸(SAHA)，將肌肉細胞中AAT的分泌增加了約50%。“這是一種讓肌肉承擔肝臟部分工作的方法，”他說。然而，并不是所有的蛋白質都是一樣的。它們的形狀對于決定蛋白質如何或是否以應有的方式工作至關重要。蛋白質如何形成特定形狀的過程——被稱為蛋白質折疊問題——一直是馬薩諸塞大學阿默斯特分校生物化學和分子生物學杰出教授萊拉·吉拉斯奇(Lila Gierasch)整個職業生涯的重點。“這些蛋白質分子絕對令人著迷，”Gierasch說。“它們看起來像小捕鼠器，它們需要是亞穩態的”——想象一下你剛剛設置的一個捕鼠器，它正在等待一只老鼠。“這是一種非常特殊的形狀，它必須是完全正確的，否則蛋白質就不會以應有的方式發揮作用。”

盡管該團隊將AAT缺乏癥作為一個案例研究，但他們的工作表明，包括基因療法和蛋白酶穩定調節因子在內的組合療法，可以提高基因療法的療效，不僅是針對AAT缺乏癥，而且更廣泛地用于許多遺傳疾病。

“我們的最終目標，”Gierasch說，“是提供一種簡單的方法，可以治愈一種非常困難的、具有潛在破壞性的遺傳疾病。這需要一個廣泛的跨學科團隊，從實驗室和患者身邊收集專業知識，才能找到答案。”