综述：蛋白质折叠与蛋白质稳态的导航图景：从基础机制到治疗策略

这篇综述全面探讨了蛋白质折叠机制与蛋白质稳态网络，从Anfinsen的"热力学假说"到现代AI驱动的结构预测（如AlphaFold），系统阐述了分子伴侣（HSP70/HSP90/TRiC）、内质网应激反应（UPR）、热休克反应（HSR）等核心机制，及其在神经退行性疾病（阿尔茨海默病、帕金森病）、癌症和代谢性疾病中的病理作用与靶向治疗策略（如分子伴侣调节剂、免疫疗法）。

蛋白质折叠的基本原理与历史视角

蛋白质折叠的研究始于20世纪中期，Anfinsen通过核糖核酸酶实验提出了“热力学假说”，指出蛋白质的天然构象由其氨基酸序列决定，并在特定环境下自由能最低。这一原理奠定了理解蛋白质折叠的基础。然而，蛋白质在体内折叠并非自发过程，而是依赖于复杂的细胞机制，包括分子伴侣和能量输入。

蛋白质折叠的能量景观理论将其描述为一个漏斗形模型，其中蛋白质从无序状态通过中间态逐步走向天然结构。该过程受到多种因素影响，如疏水作用、氢键和范德华力。分子动力学模拟和实验技术（如X射线晶体学、NMR和冷冻电镜）的发展极大地促进了我们对折叠路径和中间体的理解。

分子伴侣：蛋白质折叠的辅助机器

分子伴侣是细胞中协助蛋白质正确折叠的关键因子，防止聚集并促进错误折叠蛋白的降解。主要 chaperone 家族包括：

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  HSP70系统：如HSPA8（HSC70）和HSPA1A（HSP70），通过ATP依赖的循环结合底物，与共伴侣（如HSP40/DNAJ）和核苷酸交换因子（如BAG1）协同工作。它们在蛋白质易位、折叠和应激响应中起核心作用。
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  HSP90系统：如HSP90AA1，专注于客户蛋白（如激酶和固醇激素受体）的成熟，通过构象变化和共伴侣（如p23、CDC37）调节其活性。
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  伴侣蛋白系统：如线粒体HSP60-HSP10和细胞质TRiC/CCT，提供封闭环境促进折叠，尤其适用于大分子和复杂蛋白。
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  内质网 chaperones：如BiP/GRP78（HSPA5）、calnexin/calreticulin和PDI家族，管理分泌蛋白和膜蛋白的折叠与质量控制。

内质网中的蛋白质折叠与未折叠蛋白反应（UPR）

内质网（ER）是蛋白质合成和折叠的主要场所，其稳态由UPR维持。UPR通过三种传感器激活：

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  IRE1α：剪接XBP1 mRNA，产生转录因子XBP1s，上调 chaperones 和ERAD组分。
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  PERK：磷酸化eIF2α，减少全局翻译但促进ATF4表达，调节氧化应激和氨基酸代谢。
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  ATF6：被蛋白酶切割后激活，增强ER折叠能力。

UPR在应激条件下促进适应，但持续激活会导致凋亡，与多种疾病相关。

蛋白质错误折叠与聚集的病理机制

蛋白质错误折叠可由基因突变、翻译后修饰异常、氧化应激或分子伴侣功能失调引起，导致毒性聚集体的形成。常见病理包括：

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  淀粉样纤维形成：如Aβ和tau在阿尔茨海默病（AD）中的聚集，由β-sheet堆叠形成。
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  朊蛋白样传播：如α-synuclein在帕金森病（PD）中通过细胞间传播。
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  聚集中间体的毒性：寡聚体可能破坏膜完整性或引发炎症反应。

错误折叠蛋白还通过破坏蛋白酶体或自噬-溶酶体系统，加剧细胞应激。

细胞应激响应通路

细胞通过多种应激响应通路应对蛋白质错误折叠：

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  热休克反应（HSR）：由HSF1介导，上调HSP表达，增强折叠能力。
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  整合应激响应（ISR）：通过eIF2α磷酸化协调翻译控制，支持应激适应。
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  线粒体UPR（UPRmt）：由ATF5或ATF4介导，维护线粒体蛋白稳态。

这些通路在癌症、神经退行性疾病和代谢疾病中常被劫持，贡献于病理进程。

分子伴侣与疾病

分子伴侣的功能障碍（chaperonopathies）直接导致多种疾病：

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  晶体蛋白突变：如CRYAB在白内障和肌病中的作用。
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  CFTR折叠缺陷：囊性纤维化的核心机制。
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  神经退行性疾病：HSPB1突变与Charcot-Marie-Tooth病相关。

此外， chaperones 在癌症中常过表达，支持癌蛋白稳定和治疗抵抗。

翻译后修饰（PTMs）在折叠中的作用

PTMs如磷酸化、糖基化和二硫键形成显著影响蛋白质折叠：

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  磷酸化：调节tau和α-synuclein的聚集倾向。
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  糖基化：通过calnexin/calreticulin循环确保糖蛋白折叠。
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  二硫键形成：由PDI家族催化，对分泌蛋白稳定性至关重要。

PTMs异常可能导致错误折叠和疾病。

实验与计算技术进展

技术进步深化了折叠研究：

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  单分子技术：如smFRET和光学镊子，解析折叠动力学。
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  AI与结构预测：AlphaFold和RoseTTAFold实现高精度结构预测。
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  组学方法：蛋白质组学和转录组学揭示折叠网络的功能。

这些工具助力于靶点识别和药物设计。

治疗策略与进展

靶向蛋白质折叠和稳态的治疗策略包括：

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  分子伴侣调节剂：如arimoclomol（HSP诱导剂）和tafamidis（TTR稳定剂）。
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  UPR调节剂：如ISRIB（eIF2B激活剂）和IRE1α抑制剂。
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  聚集抑制剂：如anle138b和分子镊子（如CLR01），阻止毒性聚集。
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  免疫疗法：抗Aβ抗体（aducanumab）和抗α-synuclein抗体（prasinezumab）。
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  自噬诱导剂：如rapamycin和spermidine，增强聚集物清除。

这些方法在临床试验中显示潜力，但挑战如血脑屏障穿透和脱靶效应仍需解决。

神经退行性疾病中的蛋白质错误折叠

AD、PD、亨廷顿病（HD）和肌萎缩侧索硬化（ALS）均涉及特定蛋白聚集：

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  AD：Aβ斑块和tau神经纤维缠结，UPR和自噬缺陷加速病理。
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  PD：α-synuclein路易体，与溶酶体功能障碍（如GBA1突变）相关。
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  ALS：TDP-43聚集，PERK激活贡献于运动神经元死亡。

分子伴侣和降解系统在这些疾病中成为治疗靶点。

癌症与代谢疾病中的蛋白质稳态

癌症细胞利用UPR和HSP支持快速增殖和应激生存：

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  UPR促进肿瘤生长：如ATF4增强氨基酸代谢和血管生成。
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  HSP90抑制剂的抗肿瘤效应：破坏客户蛋白稳定性。
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  代谢疾病：如2型糖尿病（T2D）中胰岛β细胞的ER应激导致胰岛素抵抗。

调节蛋白质稳态可能提供协同治疗益处。

未来方向与挑战

未来研究需关注：

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  AI与个性化医疗：预测突变对折叠的影响。
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  组合疗法：靶向多通路增强疗效。
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  疾病修饰策略：早期干预防止聚集。
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  转化挑战：如药物递送和患者分层。

蛋白质折叠领域的进步将深化我们对疾病机制的理解并催生新疗法。