科研試劑廠家-齊一生物

當(dāng)溫度上升到某個(gè)閾值，細(xì)胞開始衰竭并死亡。對(duì)于這種現(xiàn)象的zui直觀解釋就是：對(duì)我們十分關(guān)鍵的蛋白質(zhì)對(duì)熱的耐受性有限。蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)幫助生物從食物和陽(yáng)光中獲取能量、組建免疫機(jī)能、降解代謝廢物等，簡(jiǎn)直就是生物界的樂高，而對(duì)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(zhǎng)鏈的形式，堆疊成螺旋結(jié)構(gòu)、以組裝的配置形成對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)鏈?zhǔn)叫螒B(tài)。而蛋白質(zhì)的形態(tài)則與蛋白質(zhì)對(duì)應(yīng)的功能呈現(xiàn)出強(qiáng)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(qiáng)的，zui后*分解。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被熱破壞看來(lái)是zui為致命的關(guān)鍵，而整個(gè)細(xì)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(guò)對(duì)四種生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)狀態(tài)隨溫度上升的變化進(jìn)行觀測(cè)，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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度下，無(wú)論是人類還是大腸桿菌的部分細(xì)胞中有一部分關(guān)鍵蛋白的解體，便會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)，細(xì)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?yàn)榈鞍踪|(zhì)維護(hù)和管理提供一定的依據(jù)，而其中的規(guī)律已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單純的結(jié)論：熱死的細(xì)胞歸因于蛋白質(zhì)解體。

Paola Picotti 是該項(xiàng)目的發(fā)起人，他解釋道這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)解釋了一個(gè)古老而棘手的問題：為什么一些細(xì)胞能夠在高溫環(huán)境生存，而其余的熟了。Thermus thermophilus(一種嗜熱細(xì)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(qiáng)相關(guān)。但是要在某個(gè)活細(xì)胞內(nèi)部對(duì)單一蛋白質(zhì)的狀態(tài)進(jìn)行觀察和積累還不甚簡(jiǎn)單；而在試管中對(duì)單一蛋白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)又無(wú)法模擬原有細(xì)胞的相關(guān)環(huán)境，在細(xì)胞內(nèi)部，不同的蛋白質(zhì)混雜在一起，通過(guò)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(guò)程，需要將整個(gè)環(huán)境和蛋白質(zhì)之間的影響包含進(jìn)去。

為了解決這一問題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種龐大而復(fù)雜的自動(dòng)化處理流程，在處理中他們利用酶的對(duì)細(xì)胞內(nèi)的蛋白進(jìn)行分離，提取其中的蛋白質(zhì)，并且進(jìn)行加熱。研究人員通過(guò)酶分解得到的蛋白質(zhì)片段來(lái)分析當(dāng)前溫度下的斷裂部位。通過(guò)對(duì)不同溫度下的數(shù)據(jù)記錄，他們描繪出一張相對(duì)連續(xù)的蛋白質(zhì)展開和變性熱敏曲線。通過(guò)對(duì)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(xì)胞內(nèi)的蛋白。來(lái)自芝加哥大學(xué)的生物學(xué)家 Allan Drummond 稱之為一項(xiàng)美輪美奐的實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于所使用的實(shí)驗(yàn)物種而言，蛋白質(zhì)并不會(huì)隨溫度升高產(chǎn)生大量的解體。反而，他們只觀測(cè)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(gè)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(diǎn)，與其它蛋白擁有大量的連接。這就意味著他們影響著細(xì)胞內(nèi)部的關(guān)鍵功能，失去這些蛋白質(zhì)，細(xì)胞將失能。同樣，如果用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程被塑造成現(xiàn)在的模式呢？如果對(duì)于一個(gè)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)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(xì)胞內(nèi)的不同分子進(jìn)行綁定，完成不同的工作。這或許是某種折中。

拿大腸桿菌來(lái)說(shuō)，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(xì)胞內(nèi)部的同種蛋白質(zhì)含量 -- 對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性)。就實(shí)驗(yàn)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(gè)想法不謀而合，細(xì)胞蛋白 -- 偶爾出現(xiàn)錯(cuò)誤。通常，某種錯(cuò)誤會(huì)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(xì)胞體內(nèi)的相關(guān)蛋白量很大，將會(huì)有大量的錯(cuò)誤蛋白堆積在細(xì)胞內(nèi)部。由此可見，進(jìn)化通過(guò)提高需求量大的蛋白穩(wěn)定性，有助于細(xì)胞的整體穩(wěn)定性。而本次的實(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)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(huì)*崩塌(因此，蛋友洗菊花使用 40 度左右的溫水即可，無(wú)需過(guò)燙)。而在 70 度時(shí)，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(duì)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(jì)出實(shí)驗(yàn)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(duì)細(xì)菌的利用)，有時(shí)需要調(diào)節(jié)工業(yè)生產(chǎn)的溫度，但是由于對(duì)其中的機(jī)理掌握不明確，會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌由于過(guò)熱而死。如果能夠通過(guò)某種方式保護(hù)這些會(huì)在早期分解的蛋白質(zhì)，達(dá)到保護(hù)這些細(xì)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(qiáng)相關(guān)：解體后的蛋白質(zhì)片段會(huì)互相混雜在一起，針對(duì)細(xì)胞而言是致命的。如果這種堆積發(fā)生在某些神經(jīng)元細(xì)胞將導(dǎo)致嚴(yán)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(xì)胞體內(nèi)才會(huì)發(fā)生蛋白碎片的聚集。實(shí)際上，蛋白質(zhì)碎片的堆積在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)生，如果在沒有任何壓力的情況下。正常細(xì)胞能夠處理掉這些堆積的碎片。大多數(shù)細(xì)胞蛋白都可能因?yàn)殄e(cuò)誤展開和斷裂在細(xì)胞產(chǎn)生堆積。而關(guān)鍵在于某些蛋白質(zhì)展開的時(shí)間，這一關(guān)鍵因素直接影響蛋白質(zhì)碎片的堆積時(shí)間。有些蛋白質(zhì)*不會(huì)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(duì)這一過(guò)程進(jìn)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?yàn)樗麄兺鶎?dǎo)致毀滅性的結(jié)果，其中一些人從另外的角度進(jìn)行了相關(guān)的研究。Drummond 稱一些堆積現(xiàn)象不僅有細(xì)胞周圍懸浮的垃圾形成，相反，正常的活性蛋白也會(huì)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(gè)遠(yuǎn)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(lái)似的。但是走進(jìn)一看，那些人還活著，他們剛從冒火的大樓跑出來(lái)，等待下一步通知和緊急處理。雖然這個(gè)比喻很奇怪，但是 Drummond 把它用于類比對(duì)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(tuán)，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(gè)獨(dú)立的課題和方向。

除了作為細(xì)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(xì)胞掛掉。這種聚集也能夠?qū)σ恍┑鞍踪|(zhì)形成對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)。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(tuán)，重新折疊。這種形態(tài)的轉(zhuǎn)化是溫度敏感的，如果過(guò)你不仔細(xì)湊近觀察，你可能會(huì)認(rèn)為這種堆疊是有害的。其實(shí)，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(rèn)了 177 個(gè)酵母蛋白，這些蛋白能夠在堆積后重新脫離堆積的碎片團(tuán)，重新折疊起來(lái)。而在即將發(fā)表的一片論文中，他們也描述了，通過(guò)對(duì)某一個(gè)蛋白進(jìn)行修改從而消除細(xì)胞內(nèi)的堆積過(guò)程實(shí)際上會(huì)對(duì)細(xì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。開始我們認(rèn)為蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)嚴(yán)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(shí)上，在他們的工作中會(huì)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(huì)發(fā)生巨大改變。