类朊蛋白（Prion-like proteins）是指细胞内能够以自身为模板，聚合成为淀粉样高聚物（amyloid-like aggregates）的正常蛋白。一般地，氨基酸序列决定了一个蛋白质只存在一种稳定的构象，但类朊蛋白存在可溶性单体和淀粉样高聚体两种稳定构象，从而激起科研界广泛的兴趣。类朊蛋白一般都含有Prd（prion-like domain）功能域，以介导蛋白构象的改变【1】。早期，限于朊蛋白疾病的研究，人们普遍认为蛋白的淀粉样聚合是一种病理状态。越来越多的研究表明，生理状态下也存在淀粉样聚合蛋白，并且发挥重要的调控作用。
酵母的朊蛋白[PSI+]具有表观遗传的特性，它调控翻译终止的准确性，从而表达通常隐藏翻译的部分蛋白，帮助酵母在多变的环境中生存【2】。多细胞真核生物中，第一个被揭示具有生理功能的类朊蛋白是由本篇文章作者Kausik Si团队报道的CPEB蛋白，淀粉样聚合使蛋白更稳定从而介导海兔长期记忆的形成【3】。在抗病毒免疫过程中发挥重要作用的MAVS蛋白，受到病毒刺激后，可在线粒体表面聚合成淀粉样的纤维结构，从而发挥放大抗病毒信号的作用【4】。
而生物信息学分析表明，真核生物蛋白组中具有Prd功能域的蛋白广泛存在而且涉及到多种功能【5】，但绝大多数缺少明确的实验证据。因此，鉴定新的类朊蛋白并确定其功能对于理解淀粉样组装和功能的关系具有重要意义。
近日，来自美国密苏里州斯托瓦斯医学研究所的Kausik Si团队在Cell杂志上发表文章——Amyloid-like Assembly Activates a Phosphatase inthe Developing Drosophila Embryo。文章介绍了一种新型的在果蝇胚胎发育过程中重要的磷酸酶Herzog（CG5830），它自身可发生淀粉样组装进而激活磷酸酶活性。
为鉴定果蝇的类朊病毒蛋白，作者结合信息学分析——PLAAC，SEG和FoldIndex，和多种体外实验——荧光漂白恢复技术（fluorescence recovery after photobleaching, FRAP），荧光共振能量转移（Forster resonance energy transfer, FRET），半变性琼脂糖凝胶电泳技术（semi-denaturing detergent agarose gelelectrophoresis, SDD-AGE），傅里叶红外变换光谱分析（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR），筛选到5个类朊病毒蛋白：Herzog（Hzg），Hr4，Psq，CG42540和Mura。作者选取了Hzg进行对类淀粉样聚合与功能间关系的研究。
为证明Hzg在体内发生淀粉样聚合，作者将Hzg与eGFP融合表达，发现膜蛋白Hzg在胚胎发育到原肠胚时期（产卵后3-3.5 h）开始出现荧光亮点并持续到发育后期。作者对原肠胚时期的Hzg蛋白进行分析，发现大分子聚合态的Hzg蛋白不断增多。同时使用淀粉样蛋白特异染料Thioflavin T （ThT）染色，证明Hzg在体内发生高分子聚合。
接着，作者通过截短不同功能域发现，N端Prd结构域介导了Hzg的膜定位以及淀粉样聚合。并且通过质谱和免疫共沉淀鉴定Hzg的靶标蛋白：Babo，Dah，Irk1，Pch2，Ras64B，Src64B，Sax。推测Hzg在这些蛋白介导的TGF-β/BMP和EGF/FGF信号通路中可能发挥作用。
进一步，作者发现Hzg N端的Prd功能域为Hzg活性所必需，并且免疫共沉淀实验排除了N端区域底物Dah识别的作用，而将N端结构域置换为能够膜定位但不能形成淀粉样高聚物的CAAX基序，或者能组装但不能膜定位的CPEB的Prd功能域都导致Hzg功能的丧失，这表明Hzg的膜定位以及淀粉样组装都是活性实现的必需条件。
而为确定淀粉样聚合是否直接影响Hzg的磷酸酶活性，作者从体内纯化了单体和聚合体两种形式的Hzg并进行体外实验。聚合体形式的Hzg活性显著强于相同浓度的单体形式，也显著强于同浓度下丧失聚合能力和丧失磷酸酶活性的Hzg突变体。并且，通过变性纯化后，在复性过程中使用淀粉样组装抑制剂epigallocatechin gallate (EGCG)处理也显著降低了Hzg的磷酸酶活性，这表明Hzg单体通过聚合组装能够增强磷酸酶活性。
最后，为确定Hzg在果蝇胚胎发育过程中的功能，作者构建了表达Hzg三个不同截短的突变体，hzgP69，hzgC91和hcgN169，其中hzgP69和hzgC91只包含完整的N端Prd结构域，而hcgN169包含N端Prd和中间的FCP磷酸酶结构域。结果发现纯合的hzgP69和hzgC91 F1代无明显变化，但F2代在产卵后13h导致胚胎死亡，伴随着胚带收缩，头部内卷，背向闭合的缺陷。而hcgN169纯合突变繁殖多带均发育正常。这表明Hzg在胚胎发育过程中发挥重要作用。
综上，作者发现果蝇的Hzg是一种膜定位的prion-like蛋白，它在原肠胚期发生淀粉样组装，并且组装会增强Hzg的磷酸酶活性，进而在果蝇胚胎发育过程中发挥作用。这一发现加深了对于Prd功能域介导的蛋白淀粉样组装调控蛋白质功能的理解。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.019
参考文献
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