惊！科学家揭秘TGF-β被束缚细胞膜的通信秘密

多年来，科学家们一直认为，TGF-β 这种掌控着从胚胎发育到癌症等一系列令人惊叹的细胞进程的信号蛋白，只有在摆脱类似套索的“束缚”后才能发挥作用。

但现在，利用低温电子显微镜（cryo-EM）——一种能让科学家以原子分辨率制作分子的动态三维模型的强大技术，加州大学旧金山分校的专家们发现，这种蛋白质比他们想象的要狡猾得多。

它在其束缚之中摇摆扭动，伸出几根“手指”去激活临近的受体，尽管自身被包裹在细胞表面。

这一研究发现于 9 月 16 日发表在《细胞》杂志上，推翻了数十年来有关 TGF-β 如何发挥作用的定论。它可以帮助科学家改进许多旨在控制它的疗法，包括一类重要的新型癌症疗法——检查点抑制剂，这类疗法的效果不如预期。

而且在更基础的层面上，这项工作呈现出的画面比科学家们所想象的还要疯狂，像 TGF-β 这样的重要角色会转变为意想不到的形态，在我们的细胞中完成看似无法完成的任务。

“该领域以往一直着重于稳定此类信号以获取高分辨率图像，然而这样一来，却忽视了灵活性如何能成为其功能的一部分”，加州大学旧金山分校细胞和分子药理学教授、该论文的共同资深作者程逸凡博士说。“对于 TGF-β 来说，这种灵活性起着极为关键的作用，我们觉得它能够解释其他难以弄懂的信号是怎样发挥作用的——这对于理解和治疗疾病意义重大。”

四年前，程和共同资深作者、医学博士斯蒂芬·西村发现，TGF-β 即便被束缚在其“紧身衣”（其科学名称为潜伏期相关蛋白 (LAP)）里面时，也能够向受体发出信号 。

这一结果和数十年来的科学观点相冲突，此前的观点觉得，TGF-β 得从 LAP 中释放出来，才能抵达其受体。

但是，当研究小组在小鼠体内设计出一个能将 TGF-β 与“紧身衣”永久连接的结构时，它们活下来了。即便被 LAP 束缚着，TGF-β 依然能够发挥作用。

程和西村借助他们所擅长的冷冻电镜技术进行了更为细致的观察。

冷冻电镜技术是先快速冷冻蛋白质混合物，然后拍摄数十万张其照片，以此来观察它们是如何相互作用的。

但这种方法可能会遗漏诸多可能性，此前的研究仅设想了其中的两种

要么 TGF-β 结合在 LAP 内部，所以是惰性的；要么它能够自由地从一个细胞飘移到另一个细胞并解锁其受体。

了解到 TGF-β 在被 LAP 结合时能够解锁其受体，加州大学旧金山分校的科学家们怀疑这些蛋白质可能具有更多的状态，而不止是两种，这些状态——采用典型的冷冻电镜方法——会显得模糊不清从而被忽略。

“在冷冻电镜技术中，人们通常会报告他们看得最清晰的内容”，加州大学旧金山分校病理学教授西村说。“但从我们的数据来看，我们发现图像中最模糊的部分或许具有意义”，“所以这就是我们关注的重点。”

为了能更清晰地观察受到束缚的 TGF-β 的运动情况，科学家们有条不紊地稳定了 LAP、TGF-β 或两者的不同部分，然后使用冷冻电镜观察这些分子的人工构型如何与 TGF-β 的受体相互作用。

在每一个连续的实验中，数据中看到的模糊性——即熵——转移到了 TGF-β 的其他位置，这表明尽管受到束缚，它们仍然可以移动。

这使得 TGF-β 能够将自身足够多的部分伸出 LAP 之外，进而被 TGF-β 受体检测到。这种运动是短暂的。但通过对该系统进行系统性的约束并为其拍摄快照，程和西村积累了有关这个看似不可能的信号的最清晰图像。

这些发现从根本上改变了对 TGF-β 以及许多其他控制细胞内和细胞间通讯的信号的理解。这些分子有时并非只是在离散的形状之间切换，而是通过更流畅的运动来完成工作。

“从细胞通讯到细胞表面分子，再到 TGF-β，然后到疾病建模和结构生物学，我们希望这些结果能促使人们换个角度思考，”程说。“在我们通过冷冻电镜挖掘的数据中，显然还有更多丰富的发现有待挖掘。”

加州大学旧金山分校的其他作者包括 Mingliang Jin、Robert I. Seed、Guoqing Cai、Tiffany Shing、Li Wang、Saburo Ito、Anthony Cormier、Stephanie A. Wankowicz、Jillian M. Jespersen、Jody L. Baron、Nicholas D. Carey、Melody G. Campbell、Zanlin Yu、Weihua Wen、Jianlong Lou 和 James Marks。