兼职，原本是形容人类工作状态的词语。但是，作为组成人体一切细胞和组织的重要成分，蛋白质竟然也有“兼职”？
日前，丹麦转化神经科学研究所助理教授孙超和合作者，在一篇 Science 论文中介绍了蛋白质在大脑突触“兼职打工”的现象。
▲图 | 孙超（来源：孙超）
蛋白质降解，是细胞生物学里最基础的过程之一。而本次发现让人们重新认识了负责蛋白质降解的主体——蛋白酶体。
研究中，他们在神经突触附近观察到了大量没有被组装成完整蛋白酶体的 19S 零件。这他们非常吃惊，因为在大多数情况下，没有被组装起来的多余组分会被细胞当作“孤儿蛋白”来处理，因此这些多余的蛋白会被细胞及时地清除。
然而，在超分辨显微镜下，大约 70% 的蛋白酶体 19S 颗粒都处于游离落单的状态，这让他们怀疑蛋白酶体 19S 颗粒可能在单独行动，并能执行尚未知晓的功能。
（来源：Science）
一系列的实验下来，他们发现蛋白酶体 19S 颗粒和很多重要的神经突触蛋白有着相互作用，并能修饰其蛋白表面的泛素信号。
值得一提的是，游离状态下的蛋白酶体 19S 颗粒，更善于修饰一种非常规的泛素信号。通常，这种泛素化不会被蛋白酶体利用，因此并不会被当做降解信号。
在众多 19S 识别的突触蛋白中，有一种主要神经递质受体。这种神经递质受体决定了神经突触信息传递的灵敏性，并在神经突触可塑性中发挥着决定性作用。而游离状态下的蛋白酶体 19S 颗粒，恰好可以调节这种神经递质受体在突触表面的数量和分布。
这也体现了细胞在组装复杂的蛋白纳米机器中的灵活性，即在离神经元细胞体几百上千微米远的神经突触中，分子供给或许是十分捉襟见肘的。因此，紧俏的蛋白零件资源，需要得以充分灵活的利用。
尽管论文发在 Science，但是审稿之中也曾遇到坎坷。孙超说：“虽然审稿人的总体意见从一开始就很积极，但是伴随着审稿人的兴奋和兴趣，我们收到了很多的关于实验的建议。大量的建议导致杂志编辑决定拒收论文第一稿。在我们的争取之下，终于得到了改稿的机会，并在第二次审稿中成功解决了审稿人的问题。”
最终，相关论文以《大量的自由调节（19S）蛋白酶体颗粒调节神经元突触》（An abundance of free regulatory（19S）proteasome particles regulates neuronal synapse）为题发在 Science 上 [2]。
▲图 | 相关论文（来源：Science）
孙超是第一作者，德国马克斯普朗克脑研究所艾琳 M. 舒曼（Erin M.Schuman）教授担任通讯作者，后者也是孙超的博后导师。
01
可以改写教科书的新发现
据介绍在人类大脑之内，仅仅一个神经元就可以和其他神经元形成一万个神经突触。神经突触是信息传递和存储的重要节点。在神经突触里，蛋白质是主要的功能分子。因此，维护神经突触内的蛋白质稳态，是维持大脑功能的关键环节。
大脑可以存储信息长达几十年甚至一辈子。然而，突触内的蛋白质分子寿命只有大约一周。因此，如何让不稳定的分子来存储稳定的记忆，便成为研究神经蛋白稳态的关键问题。
蛋白质稳态的重要一环，在于清除老化受损蛋白以及多余的蛋白。而多余蛋白的积累，是神经退行性疾病最常见的征兆。
人体细胞中大部分蛋白质的降解，是由一种蛋白质纳米机器来完成，这种纳米机器叫做蛋白酶体，它是由几十种蛋白组装成的复合物。
蛋白酶体有两个基本零件：一个是零件叫 19S 调节颗粒，用来识别即将被降解的蛋白；另一个零件叫做 20S 催化颗粒，用来降解蛋白。
通常，即将被降解的蛋白表面，会被修饰上一个名为泛素的小分子蛋白。泛素化，是细胞内广泛使用的一种降解信号。而 19S 调节颗粒正是通过识别这种降解信号，来捕获老化的受损蛋白。
而本次成果让人们对于神经突触亚细胞环境产生了新认识。“我们在课本里学到的蛋白酶体仅仅被赋予降解蛋白的职能。但是，在神经突触里，蛋白酶体不仅有很多游离的部件，并且这些部件有着以前不为人知的与信息存储息息相关的兼职功能。”孙超说。
而这项研究的顺利完成，一定程度上也得益于其博后导师在几十年的科研生涯里所建立的科研直觉。
02
“有一种中彩票的感觉”
工欲善其事，必先其利器。研究中，该团队先是优化了实验分子工具和显影方法。由于他们对蛋白酶体在神经突触的组装状态十分感兴趣，因此希望借助先进的单分子原位显影，来观察和量化神经突触的蛋白酶体。
前前后后耗时一年左右，随着数据的逐渐积累，他们意识到游离状态下的蛋白酶体 19S 颗粒，可能会带来让人惊讶的发现。
孙超说：“这也归功于我的博后导师对于实验结果敏锐的直觉，因为在生物学的实验里，会有很多尚未解答的问题浮出水面，而选择一个具有研究价值和潜力的问题往往是实验成果的关键。”
毕竟，实验资源和实验者的精力都是有限的，而并非所有的未知问题都具备较高的研究价值。因此，具备较好的生物学“品味”和直觉，能够更好地判断研究课题的潜力，从而助推项目的进展。
凭着这种直觉，研究方向逐渐得以聚焦。课题组做了这样一个决定：专攻游离状态下的蛋白酶体 19S 颗粒。
有一天，孙超注意到完整的蛋白酶体、和游离状态的蛋白酶体 19S 颗粒中，它们可以各自识别不同的泛素化信号。
“在一个工作日的傍晚，实验室里很安静，我坐在免疫印迹显影仪器前，并没有预期手头实验会有任何超越常规的结果，所以心里毫无防备。但当电泳凝胶免疫印迹的图像一点一点的扫描到电脑屏幕上时，我立刻意识到我们可能有了一个突破性的发现。不自主的兴奋伴随着浑身鸡皮疙瘩，有一种中了彩票的感觉。”他说。
兴奋之余，内心也伴随着不安，因为他想快速锁定这个实验结果。基于这一结果，他意识到会产生大量的后续问题和实验，因此非常希望火速知道这些问题的答案。
为此，他和同事采用多元化的实验方法，并对大量假设进行验证。等到第二年，整个课题的主体基本成型。随后，便是整理数据和撰写论文。
而这些成果的潜在影响在于，揭示了一个基于神经突触调节蛋白稳态的新靶点。但是，游离状态下的蛋白酶体 19S 颗粒，到底是如何调节突触蛋白稳态的？这依旧是一个待解难题。
但是，不少神经退行性疾病例比如帕金森病和阿尔兹海默症都存在蛋白质稳态不平衡。那么，蛋白酶体 19S 颗粒在神经退行性疾病中扮演着怎样的角色？要想厘清这一问题，仍然需要大量的后续工作。
而本次成果给孙超带来的最大启发在于：脑突触的亚细胞环境是一个非常值得关注的问题。在这种特殊的亚细胞环境下，很多经典的细胞生物学知识可能并不可靠。因此，他将扩大针对脑突触的研究，尝试了解更多蛋白质纳米机器的亚细胞特异性适应。
03
将探索脑突触的“后勤”工作
如前所述，孙超此前在德国马普所完成了博后研究。如今，他已经加入丹麦转化神经科学研究所任职。
其表示：“丹麦转化神经科学研究所是由全球最大的神经科学基金组织 Lundbeck 基金会资助的研究所，Lundbeck 基金会也是全球神经科学最高奖脑奖的颁发者。我在德国马普所的博后导师 Erin Schuman 凭借对于神经蛋白稳态的贡献，在 2023 年与其他两位学者分得了这个奖。”他继续说道：“丹麦转化神经科学研究所同时也是欧洲分子生物学实验室的北欧合作伙伴，坐落于丹麦奥胡斯大学。发现了钠钾泵的科学家曾被授予诺贝尔奖，而这一发现恰恰源于奥胡斯大学。”
目前，该课题组专注于研究脑突触的分子供给。每个神经元都需要给分子资源提供大约一万个突触，而每个突触都在相对独立地处理和存储信息，这给分子资源的在突触之间分配和供给提出了极高的要求。
目前，该团队旨在通过原位单分子蛋白显影的技术，力图理解脑突触做好“后勤”工作的背后原理。而之所以选择这样的研究方向，是因为脑突触后勤机制的薄弱环节，可能是神经系统疾病的起始环节。
孙超最后表示：“当下我们课题组正在组建队伍，欢迎国内对神经突触感兴趣的硕士、博士生以及博士后加入我们的团队。”
参考资料
1.https://www.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(6647), eadf2018.
