Nature | 蛋白质命运，在翻译开始前就已被“感知”

撰文 | 阿童木

细胞内功能性蛋白质组的建立，始于新生多肽链在核糖体上的精确合成与有序成熟。然而，刚从核糖体出口隧道中暴露的初生多肽链结构尚未稳定，极易发生错误折叠或异常聚集，因此其命运并非在翻译完成后才被决定，而是必须在翻译过程中即受到严格监管【1】。大量研究表明，翻译延伸速度、核糖体周围分子伴侣的协同作用以及蛋白质靶向因子的时序介入，共同塑造了新生蛋白的折叠路径和亚细胞定位 。

在这一共翻译调控网络中，初生多肽相关复合物（nascent polypeptide–associated complex，NAC）是最早介入的关键因子之一。NAC由NACα和NACβ组成异二聚体，在高等真核生物中高度保守且不可或缺。该复合物以纳摩尔级亲和力结合翻译中的核糖体，位于多肽链出口附近。一方面，NAC 能调节信号识别颗粒（SRP）介导的内质网靶向，防止胞质蛋白发生错误转运；另一方面，它还能招募甲硫氨酸氨肽酶1（METAP1）、N-乙酰转移酶A（NatA）以及N-肉豆蔻酰转移酶（NMTs），协调整个N端成熟过程【2, 3】。尽管这些功能已被分别报道，但NAC如何识别不同新生多肽序列、如何在翻译早期发挥选择性作用，以及这些作用如何在全局层面塑造蛋白质稳态，长期缺乏系统性认识。

近日，斯坦福大学 Judith Frydman 、康斯坦茨大学 Elke Deuerling 和马克斯普朗克多学科研究所 Marina V. Rodnina 实验室等在

Nature

NAC controls nascent chain fate through tunnel sensing and chaperone action

作者首先建立了 NAC选择性核糖体测序 策略 ，从秀丽隐杆线虫中分离并测序与NAC 结合的核糖体足迹（footprints）。该方法在1399个蛋白中共鉴定到2578个独立的NAC结合事件。结果显示， NAC广泛参与细胞核-细胞质、内质网和线粒体蛋白的共翻译过程 。进一步将NAC结合位点映射到新生链长度后，作者识别出 三种主要模式 ：一类发生在多肽链刚从出口露出的阶段（约50–60个氨基酸），约占 44%；一类出现在链延伸至80个氨基酸之后，同样占44%；还有一类发生在链仍位于隧道内部、长度不足30个氨基酸时，占约1 2 %。这一早期结合模式显著区别于Hsp70和TRiC等仅在链完全暴露后结合的伴侣系统。

进一步研究发现， 不同亚细胞区室蛋白呈现出截然不同的NAC结合 模式 。细胞核-细胞质蛋白在翻译全过程中均可与NAC接触，结合位点略偏向后期；线粒体蛋白主要在链延伸较长后与NAC结合，几乎不出现隧道内结合；而内质网及分泌蛋白则在翻译早期即表现出明显的隧道内部和出口阶段富集。这些差异提示， NAC在不同类型底物中的作用时序并不相同：在内质网靶向相关蛋白中更偏向早期介入，而在胞质和线粒体蛋白中则更多参与后续折叠过程 ，部分底物在翻译过程中还可多次被NAC接触。

从结构与序列层面分析， NAC 结合显著富集于组蛋白、RNA结合基序和核苷三磷酸水解酶等蛋白家族。 NAC偏好识别的序列通常前段带正电，整体疏水，并具有显著的α-螺旋倾向 。与SRP靶向的信号序列相比，这些两亲性螺旋在疏水性上往往更强；而与 Hsp70偏好β折叠区域的底物形成互补。在代表性的H1组蛋白和AAA-ATPase域中，NAC主要在特定两亲性螺旋刚暴露时富集，暂时屏蔽其疏水表面，直至其被埋入结构域核心，从而稳定共翻译折叠中间体。

在线粒体蛋白方面，研究发现大量核编码的线粒体蛋白在翻译过程中与NAC结合，但这些结合位点与经典N端靶向序列的重叠极少，提示NAC并不直接负责靶向信号识别。相反，NAC主要与线粒体膜蛋白早期暴露的跨膜螺旋或疏水区段重叠，通过屏蔽疏水表面防止聚集，维持其可导入状态。在NACβ耗竭的线虫中，典型底物SLC-25A10出现明显聚集，而可溶性靶向报告蛋白的导入不受影响，进一步支持 NAC通过共翻译保护疏水基序，支持特定线粒体膜蛋白的正确生物合成和导入 。

在内质网靶向过程中，NAC同样表现出选择性。约三成信号序列和跨膜螺旋在隧道出口阶段与NAC结合，这些序列通常更疏水、氨基酸体积较小，且N端正电荷富集。与 SRP数据对比显示，NAC在疏水核心部分刚露出时即发生结合，而SRP则在信号序列完全暴露后介入，支持NAC向SRP顺序移交的模型。NAC缺失时，部分通常不进入内质网的蛋白出现误靶向，而其正常底物的膜结合效率也有所下降，显示 NAC双重功能：防止非内质网蛋白误靶向，并选择性地促进其共翻译底物的内质网递送 。

此外 ，研究首次揭示了NAC可在新生链仍位于核糖体出口隧道内部时发生直接相互作用。隧道内结合呈现早期（约5个氨基酸）和晚期（约25个氨基酸）两个峰值，分别对应隧道上段和收缩位点之后的结构区域。结合位点具有明确的序列特异性：早期底物富含带电残基，晚期底物则疏水性显著增强。体外翻译与光交联实验表明，NACβ的N端可直接接触隧道内的新生链，结构预测支持其形成两亲性螺旋，从而建立此前未知的 “隧道内感知”作用模式 。

作者进一步发现 这种早期接触直接影响翻译动力学。野生型线虫在翻译起始阶段呈现两个核糖体密度峰，而NAC耗竭几乎消除了这一特征。纯化的人源翻译系统进一步证明，NAC本身即可减慢早期延伸，高亲和突变体效应更为显著。该减慢作用依赖于NAC的特定底物，并与其隧道内识别的序列特征高度一致。 通过降低核糖体碰撞风险、优化核糖体流量，NAC在翻译最初阶段即为后续折叠和靶向创造了有利条件 。

综上所述，本研究 系统重塑了人们对NAC功能的认识。 NAC不仅是经典意义上的共翻译分子伴侣，更是一个在翻译最早期通过隧道感知新生链特征、协调延伸速度、蛋白折叠与细胞器定位的关键调控节点。核糖体出口隧道也因此不再只是被动通道，而成为新生蛋白命运决策的重要感知场所 。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-10058-2

制版人： 十一

参考文献

1. Pechmann, S., Willmund, F. & Frydman, J. The ribosome as a hub for protein quality control.Mol Cell49, 411-421 (2013).

2. Jomaa, A. et al. Mechanism of signal sequence handover from NAC to SRP on ribosomes during ER-protein targeting.Science375, 839-844 (2022).

3. Lentzsch, A. M. et al. NAC guides a ribosomal multienzyme complex for nascent protein processing.Nature(2024).

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