扁菱形蛋白酶打破穿過細胞膜時的“細胞速度限制”

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

細胞膜是包圍著細胞的脂肪層，并形成將細胞內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、約翰霍普金斯大學分子生物學與遺傳學教授Sini?a Urban博士利用讓扁菱形蛋白酶發光的化學物對單個扁菱形蛋白酶進行標記，結果發現它們的運動速度比它們“應該的”速度快得多。

在20世紀70年代，科學家們已發現蛋白穿過細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）的數學方程式。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及其團隊發現扁菱形蛋白酶并不是慢慢地穿過細胞膜，而是快速地移動，移動速度是根據薩夫曼-德爾布呂克粘度極限方程式預測的兩倍。

通過更仔細地研究扁菱形蛋白酶，Urban團隊發現它們在移動時與細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？這些研究人員認為扁菱形蛋白酶能夠產生這種能力的原因可能在于它們能夠快速穿過細胞膜，以便尋找進行切割的靶標。在條件發生變化的情況下，這些靶標中的一些必須從細胞膜上快速釋放出來，以便給其他細胞提供實時信號。細胞膜中的其他酶很可能也需要快速尋找它們的靶標，因此了解這種情形在扁菱形蛋白酶中如何發生將有助于科學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胞膜中都發現到，而且科學家們正在研究這種酶超家族作為治療寄生蟲感染、癌癥、炎癥和神經變性的潛在靶標。