科研試劑廠家-齊一生物

當(dāng)溫度上升到某個閾值，細胞開始衰竭并死亡。對于這種現(xiàn)象的zui直觀解釋就是：對我們十分關(guān)鍵的蛋白質(zhì)對熱的耐受性有限。蛋白質(zhì)負責(zé)幫助生物從食物和陽光中獲取能量、組建免疫機能、降解代謝廢物等，簡直就是生物界的樂高，而對應(yīng)功能模塊的蛋白質(zhì)具備不同的優(yōu)美結(jié)構(gòu)。一般的蛋白質(zhì)以長鏈的形式，堆疊成螺旋結(jié)構(gòu)、以組裝的配置形成對應(yīng)的蛋白質(zhì)鏈式形態(tài)。而蛋白質(zhì)的形態(tài)則與蛋白質(zhì)對應(yīng)的功能呈現(xiàn)出強關(guān)聯(lián)性。當(dāng)溫度開始上升，蛋白質(zhì)骨架開始斷裂，首先是耐熱性zui弱的關(guān)節(jié)，接著是更強的，zui后*分解。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被熱破壞看來是zui為致命的關(guān)鍵，而整個細胞結(jié)構(gòu)有是如何被破壞的呢？

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的生物物理學(xué)家通過對四種生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)狀態(tài)隨溫度上升的變化進行觀測，積累了大量的數(shù)據(jù)，相關(guān)的研究成果也發(fā)表在今年 2 月的《Science》上。實驗發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度下，無論是人類還是大腸桿菌的部分細胞中有一部分關(guān)鍵蛋白的解體，便會導(dǎo)致細胞死亡。同時，細胞內(nèi)某種蛋白質(zhì)的含量也與蛋白質(zhì)穩(wěn)定性有關(guān)。相關(guān)的結(jié)果能夠為蛋白質(zhì)維護和管理提供一定的依據(jù)，而其中的規(guī)律已經(jīng)遠遠超過單純的結(jié)論：熱死的細胞歸因于蛋白質(zhì)解體。

Paola Picotti 是該項目的發(fā)起人，他解釋道這項實驗解釋了一個古老而棘手的問題：為什么一些細胞能夠在高溫環(huán)境生存，而其余的熟了。Thermus thermophilus(一種嗜熱細菌)喜歡生活在溫泉中，甚至在一些家用的熱水器中也有發(fā)現(xiàn)，而大腸桿菌只能忍受 40 度的高溫。這種生存能力與不同生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性強相關(guān)。但是要在某個活細胞內(nèi)部對單一蛋白質(zhì)的狀態(tài)進行觀察和積累還不甚簡單；而在試管中對單一蛋白進行實驗又無法模擬原有細胞的相關(guān)環(huán)境，在細胞內(nèi)部，不同的蛋白質(zhì)混雜在一起，通過一些化學(xué)鍵銜接，形成特定的形態(tài)。要掌握蛋白質(zhì)衰變的具體過程，需要將整個環(huán)境和蛋白質(zhì)之間的影響包含進去。

為了解決這一問題，該團隊設(shè)計了一種龐大而復(fù)雜的自動化處理流程，在處理中他們利用酶的對細胞內(nèi)的蛋白進行分離，提取其中的蛋白質(zhì)，并且進行加熱。研究人員通過酶分解得到的蛋白質(zhì)片段來分析當(dāng)前溫度下的斷裂部位。通過對不同溫度下的數(shù)據(jù)記錄，他們描繪出一張相對連續(xù)的蛋白質(zhì)展開和變性熱敏曲線。通過對上千種蛋白質(zhì)熱敏感曲線的記錄，他們展示了蛋白質(zhì)從適合溫度下的完整結(jié)構(gòu)到不同溫度下的變性曲線。并且，為了探求不同物種體內(nèi)蛋白質(zhì)的特異性，他們專門的研究了人、大腸桿菌、嗜熱鏈球菌和酵母菌四類生物細胞內(nèi)的蛋白。來自芝加哥大學(xué)的生物學(xué)家 Allan Drummond 稱之為一項美輪美奐的實驗。

對于所使用的實驗物種而言，蛋白質(zhì)并不會隨溫度升高產(chǎn)生大量的解體。反而，他們只觀測到很小部分的蛋白質(zhì)在非常早 (溫度上升) 的階段解體，這些就是關(guān)鍵的 (致死) 蛋白。在一個網(wǎng)狀的蛋白質(zhì)交互圖中，這些關(guān)鍵蛋白往往處于網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，與其它蛋白擁有大量的連接。這就意味著他們影響著細胞內(nèi)部的關(guān)鍵功能，失去這些蛋白質(zhì)，細胞將失能。同樣，如果用網(wǎng)絡(luò)進行類比，這些關(guān)鍵的蛋白在溫度上升后奔潰將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)被破壞。

但是這一悖論 -- 生物體內(nèi)的關(guān)鍵蛋白十分脆弱 -- 是如何在物種漫長的進化過程被塑造成現(xiàn)在的模式呢？如果對于一個八面玲瓏的蛋白質(zhì)，不穩(wěn)定、容易展開和折疊將是一種得天獨厚的優(yōu)勢，通過這種變換，關(guān)鍵蛋白能夠變換形態(tài)，從而完成不同目標(biāo)。“很多類似的關(guān)鍵蛋白具有高度的靈活性，這也使得他們非常不穩(wěn)定”，但是這種靈活性使得他們能夠與細胞內(nèi)的不同分子進行綁定，完成不同的工作。這或許是某種折中。

拿大腸桿菌來說，他們的數(shù)據(jù)zui直觀，他們也發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)豐富程度的關(guān)聯(lián)特性(細胞內(nèi)部的同種蛋白質(zhì)含量 -- 對應(yīng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性)。就實驗數(shù)據(jù)而言，含量越多的蛋白，失活的溫度越高，越耐熱。而罕有的蛋白耐熱性更差。蛋白質(zhì)含量與穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)與 Drummond 數(shù)十年前的一個想法不謀而合，細胞蛋白 -- 偶爾出現(xiàn)錯誤。通常，某種錯誤會導(dǎo)致蛋白質(zhì)不穩(wěn)定。如果普通蛋白失穩(wěn)，但是由于細胞體內(nèi)的相關(guān)蛋白量很大，將會有大量的錯誤蛋白堆積在細胞內(nèi)部。由此可見，進化通過提高需求量大的蛋白穩(wěn)定性，有助于細胞的整體穩(wěn)定性。而本次的實驗數(shù)據(jù)也支持這一結(jié)論。

接著，我們需要探索是什么樣的特性使得某些蛋白質(zhì)具有耐熱穩(wěn)定性。通過對比大腸桿菌和嗜熱鏈球菌的相關(guān)數(shù)據(jù)，大腸桿菌的蛋白在 40 度左右開始瓦解，在 70 度左右會*崩塌(因此，蛋友洗菊花使用 40 度左右的溫水即可，無需過燙)。而在 70 度時，嗜熱鏈球菌也就剛剛開始不舒服，直到 90 度他們還能保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，保持活性。他們還發(fā)現(xiàn)嗜熱鏈球菌的穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)相對較短，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)也十分相似。

相關(guān)的發(fā)現(xiàn)能夠輔助研究人員設(shè)計出實驗所需的穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。在很多工業(yè)生產(chǎn)和處理中(包括對細菌的利用)，有時需要調(diào)節(jié)工業(yè)生產(chǎn)的溫度，但是由于對其中的機理掌握不明確，會導(dǎo)致細菌由于過熱而死。如果能夠通過某種方式保護這些會在早期分解的蛋白質(zhì)，達到保護這些細菌的目的，這將是十分有趣的一件事。當(dāng)然也能夠用于控制低溫滅活而不破壞其他有效蛋白質(zhì)成分——巴斯消毒。

除了這些結(jié)果之外，關(guān)于不同蛋白質(zhì)展開模式也引起了生物學(xué)家的興奮。蛋白質(zhì)形成聚合物的可能性與其穩(wěn)定性強相關(guān)：解體后的蛋白質(zhì)片段會互相混雜在一起，針對細胞而言是致命的。如果這種堆積發(fā)生在某些神經(jīng)元細胞將導(dǎo)致嚴重的精神問題，比如阿茲海默癥 -- 變性的蛋白質(zhì)碎片堆積在病人的大腦中。

但是，并非只有以上病患的細胞體內(nèi)才會發(fā)生蛋白碎片的聚集。實際上，蛋白質(zhì)碎片的堆積在任何時候都會發(fā)生，如果在沒有任何壓力的情況下。正常細胞能夠處理掉這些堆積的碎片。大多數(shù)細胞蛋白都可能因為錯誤展開和斷裂在細胞產(chǎn)生堆積。而關(guān)鍵在于某些蛋白質(zhì)展開的時間，這一關(guān)鍵因素直接影響蛋白質(zhì)碎片的堆積時間。有些蛋白質(zhì)*不會發(fā)生展開和堆積，而另一些只在特定條件下發(fā)生，而還有一些蛋白質(zhì)經(jīng)常發(fā)生展開。該論文揭示了相關(guān)的規(guī)律，使得相關(guān)現(xiàn)象和研究更容易被解釋。一些曲線也展現(xiàn)出某些蛋白在展開后發(fā)生堆疊的規(guī)律。他們已經(jīng)成功的對這一過程進行了分步監(jiān)控 -- 蛋白質(zhì)打開和隨后的聚合，這也是該研究的成功之處。

很多研究人員更加熱衷于關(guān)注堆疊現(xiàn)象，因為他們往往導(dǎo)致毀滅性的結(jié)果，其中一些人從另外的角度進行了相關(guān)的研究。Drummond 稱一些堆積現(xiàn)象不僅有細胞周圍懸浮的垃圾形成，相反，正常的活性蛋白也會被纏繞其中，雖然他們?nèi)匀荒軌蚶^續(xù)工作。

想象一下，看到某個遠處的房屋正被煙霧繚繞著，地上橫七豎八躺著些尸體，像是剛被從廢棄拖出來似的。但是走進一看，那些人還活著，他們剛從冒火的大樓跑出來，等待下一步通知和緊急處理。雖然這個比喻很奇怪，但是 Drummond 把它用于類比對蛋白質(zhì)堆積的研究現(xiàn)狀：雖然蛋白質(zhì)發(fā)生堆疊，但是并不意味著他們都在失活的情況下被堆積成團，一些蛋白質(zhì)仍然活力滿滿?，F(xiàn)在，這一相關(guān)的研究也成為一個獨立的課題和方向。

除了作為細胞損傷的標(biāo)志，聚集的蛋白質(zhì)可能一直保持活性直到細胞掛掉。這種聚集也能夠?qū)σ恍┑鞍踪|(zhì)形成對周圍環(huán)境的保護。當(dāng)某些情況下，環(huán)境好轉(zhuǎn)，其中一些蛋白質(zhì)能夠脫離聚集的團，重新折疊。這種形態(tài)的轉(zhuǎn)化是溫度敏感的，如果過你不仔細湊近觀察，你可能會認為這種堆疊是有害的。其實，暗中還有別的事情正在發(fā)生。在 2015 年的一篇論文中，他和他的同事確認了 177 個酵母蛋白，這些蛋白能夠在堆積后重新脫離堆積的碎片團，重新折疊起來。而在即將發(fā)表的一片論文中，他們也描述了，通過對某一個蛋白進行修改從而消除細胞內(nèi)的堆積過程實際上會對細胞產(chǎn)生不利的效果。

總而言之，他們的工作揭示了蛋白質(zhì)奇怪的動態(tài)結(jié)構(gòu)。開始我們認為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和表達嚴格工業(yè)流水化，某種工作目標(biāo)下他們的結(jié)構(gòu)固定。事實上，在他們的工作中會在不同的形態(tài)下互相轉(zhuǎn)化。如果有必要，他們的形態(tài)會發(fā)生巨大改變。