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Science深聚焦：顛覆教科書的蛋白序列
發(fā)布時間： 2012-10-19 點擊次數(shù)： 1822次Rohit Pappu和他的兩位同事在9月20日《科學(xué)》（Science）雜志上的一篇perspective文章中，揭示了一大類沒有遵循結(jié)構(gòu)-功能范例的蛋白質(zhì)。這些所謂的內(nèi)在無序蛋白質(zhì)無論整體或部分均不能折疊，但它們是具有功能的。如果你打開任何一本生物學(xué)教材翻到蛋白質(zhì)的部分，你將會學(xué)到蛋白質(zhì)是由氨基酸序列組成，序列決定了氨基酸鏈如何折疊成一種緊密的結(jié)構(gòu)，且這種折疊蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了它的功能。換句話說，序列編碼結(jié)構(gòu)，功能源自結(jié)構(gòu)。近期我們與圣路易斯華盛頓大學(xué)生物系統(tǒng)工程學(xué)中心的主任、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授Pappu博士一起追蹤了這一的科學(xué)。
已經(jīng)大約有20年。zui早的線索是一些蛋白質(zhì)片段沒有顯示在X射線晶體學(xué)或NMR研究中，這些是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)方法。到上世紀(jì)90年代，從事蛋白質(zhì)與DNA互作機(jī)制研究的人們已經(jīng)注意到當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與DNA相互作用時它們常常會改變形狀。在沒有DNA的情況下，所有用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)探針返回的報告顯示蛋白質(zhì)是松散的，而當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與DNA形成復(fù)合物時則具有明確定義的三維結(jié)構(gòu)。偶然。當(dāng)我2001年正準(zhǔn)備離開約翰霍普金斯大學(xué)轉(zhuǎn)去華盛頓大學(xué)之時。我與印第安那大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Keith Dunker進(jìn)行了一次會面，他是該領(lǐng)域的*之一。這純屬巧合。這次是會面以尷尬的方式開始因為Keith不知道我是誰，我也從未聽說過他。我正在從事未折疊蛋白的聚合體物理學(xué)描述工作，豈料他剛剛寫了一篇80頁的關(guān)于內(nèi)在無序蛋白的綜述論文。
他說：“每次你與蛋白質(zhì)科學(xué)后巷中的人們談話，他們都會告訴你他們的蛋白質(zhì)是非常靈活或高度動態(tài)的，這種動態(tài)對于功能極其重要。”因此Keith做了兩件事情。他綜合了所有的信息，然后了解了這些靈活的高度無序的蛋白。與他的同事Vladimir Uversky一起，他提出了疑問是否有可能預(yù)測哪些序列是無法自主折疊的。在計算機(jī)科學(xué)家們的幫助下，教給他如何尋找高維空間中的模式，他知道了20種氨基酸中有11種傾向于是無序的。現(xiàn)在有大約20個無序預(yù)測因子。因此當(dāng)我聽到這個故事，我想：“好的，這要么是錯亂的，要不是將要變形的。我打賭是變形的，因為我發(fā)現(xiàn)他所說的是令人信服的。”因此在華盛頓大學(xué)的頭兩年我開始大量涉獵文獻(xiàn)，我想我嚇壞了這里的許多人，他們不知道他們已經(jīng)聘請了此人，還以為他們正在招聘。
它由領(lǐng)域而定。因此在細(xì)菌和原核生物中這些數(shù)量相當(dāng)小。它們大約占蛋白質(zhì)組的5%。但是如果你轉(zhuǎn)到真核生物或多細(xì)胞生物體，那么數(shù)量可達(dá)到整個蛋白質(zhì)組的30%或40%。但是如果你問多少比例構(gòu)成信號蛋白質(zhì)組（忙于將信號傳給其他蛋白的蛋白質(zhì)）的序列是內(nèi)在無序的，那么其數(shù)量則高達(dá)60-70%。似乎存在一種職責(zé)分工。結(jié)構(gòu)蛋白參與了催化和運(yùn)輸。內(nèi)部無序蛋白對于信號傳導(dǎo)和調(diào)控是非常重要的。我認(rèn)為有兩個邏輯原因。一個是因為與內(nèi)在無序蛋白相關(guān)的復(fù)合物是短期存在的，另一個是因為它們通常結(jié)合多個而非一個分子。如果一個分子除了在復(fù)合物情況下不能折疊，那么用于折疊的部分能量必定是來自分子間的相互作用。且如果這種分子取得的是能量貸款，那么形成復(fù)合物將不會是很穩(wěn)定或是長期存在的。你正將高特異性（因為只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)識別與它形成復(fù)合物的分子時才會折疊）與低整體親和力（因為復(fù)合物不穩(wěn)定）結(jié)合到一起。
這 些多對一的相互作用產(chǎn)生是因為無序蛋白常常通過短氨基酸鏈而非大的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)界面發(fā)揮功能。因此單一的多肽鏈能夠與多個靶標(biāo)相互作用。一個模體與一個蛋白質(zhì)對話，第二個模體與另一個蛋白質(zhì)對話，然而通過這條鏈它們能夠彼此溝通。這就是為什么這些分子碰巧處在網(wǎng)絡(luò)中心的原因。它們通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息就像機(jī)場中心的空中交通指揮塔臺一樣。由于它們大部分的功能是通過這些非常小的你說得對。隨著我們對它們的了解加深，我們認(rèn)為我們本應(yīng)該將無序蛋白稱作分子變阻器。對于物理學(xué)家而言，無序只是意味著熱量波動是占主導(dǎo)的，因此對于物理學(xué)家來說這是一個準(zhǔn)確的描述。問題在于在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域無序這個單詞已被為疾病。你提到這些蛋白使出高招的一些伎倆。其中我認(rèn)為很聰明的一個是調(diào)節(jié)了局部的化學(xué)環(huán)境來促進(jìn)特殊反應(yīng)。這是一個非常重要的概念。如果你正在試管中做化學(xué)試驗，你想使一種反應(yīng)進(jìn)行，你要提高反應(yīng)物的濃度：A需要碰撞B，而且經(jīng)常這樣做。但這是個概率問題，因此你有可能需要大量的A分子和許多的B才能獲得一些統(tǒng)計學(xué)數(shù)字。但如果A與B之間存在一條系繩，確保彼此經(jīng)常相互碰撞。你或許用少數(shù)并非大量的分子就可以了。
這一寬松的系繩，實際上，提高了A環(huán)繞B的濃度，且這一系繩往往是一個無序區(qū)域。另一件你提到的事情是隱藏的無序：這一觀點是指結(jié)構(gòu)化蛋白能夠變成無序。這是一個反向倒轉(zhuǎn)。這篇perspective文章的共同作者、圣猶他兒童研究醫(yī)院的Richard Kriwacki在這方面取得了zui明確的發(fā)現(xiàn)。他證實兩個結(jié)構(gòu)化的區(qū)域可以組合到一起——這是整個p53腫瘤抑制裝置的一部分——它們試圖混合，它們經(jīng)歷了一個解折疊轉(zhuǎn)變，暴露出了被掩藏的位點。隱藏?zé)o序的概念是：這些結(jié)構(gòu)域，通過促進(jìn)彼此的無序，顯示出了隱藏的模體或位點，現(xiàn)在可為功能所用。你提到了在生物醫(yī)學(xué)界無序與疾病相關(guān)。你的共同作者劍橋MRC分子生物學(xué)實驗室的M. Madan Babu已經(jīng)撰寫了關(guān)于這一連接。是的。細(xì)胞做出許多的決定。它們決定分化、死亡、再生或歸于靜息。這些決定受到調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的控制。這一網(wǎng)絡(luò)中的整合者大部分是無序區(qū)域。因此問題在于：這些區(qū)域中的突變將會導(dǎo)致不必要的細(xì)胞表型以及諸如心血管病、癌癥和神經(jīng)退行性病變等疾病嗎?答案是肯定的。但是我們正了解到的是無序區(qū)域的突變不一定會產(chǎn)生有害的表型因為相比結(jié)構(gòu)化區(qū)域無序區(qū)域是相當(dāng)不受限制的。因此這些區(qū)域也是穩(wěn)固性的操控者。