细胞内的变形军团
分子生物学 MOLECULAR BIOLOGY
来源：Quanta Magzine 作者：Alla Katsnelson
翻译：D 校对：EON 封面：Ricardo Bessa
蛋白质像刚性键一样激活细胞功能，这个说法可能没有争议。 然而科学家们发现了大量通过变形来完成工作的蛋白质，这一发现正改变近百年内生物学领域所信奉的准则。
我们都在高中生物学里学过：结构等同于功能。根据细胞生物学的教科书所述，蛋白质的三维形状决定其功能——驱动化学反应，在细胞的信息高速公路上传递信号，或者为DNA插入分子标记。一个多世纪以来，生物学家认为执行这些功能的蛋白质就像细胞机械中的刚性嵌齿。
当然，偶有例外。一个科学家可能会碰到执行功能极其完美，却没有刚性结构的蛋白。大多数研究人员将这种情况归因于实验误差，或者将其视为不重要的异常值。
然而最近，生物学家已经开始留意这些变形蛋白，这一发现正在破坏蛋白质的结构功能学说。
蛋白质由串联的氨基酸链构成。最近的研究估计，人体内构成蛋白质的氨基酸序列中，有高达一半的序列未折叠成明显的形状。（总体中的部分蛋白质是完全非结构化的，而其他则包含长的与结构化区域并列的非结构化区域。）[1]“在某种程度上，人们并没有意识到这一数量有多大，这就是为什么他们忽略了非结构蛋白。”在儿童医院和多伦多大学工作的生物化学家朱莉·弗曼-凯（Julie Forman-Kay）说， “还有一部分原因是他们不知道怎么去看待非结构蛋白。”
这种流动性被称为“内在紊乱”，它赋予非结构蛋白一系列结构化蛋白质所没有的超能力。被折叠的蛋白质倾向于牢固地结合到其目标，就像一把钥匙契合于锁中，只在一个或两个点，但是它们更伸展摇摆的表亲则像分子魔术贴，可以轻轻地附着于多个位点并容易释放。这种快速附着—快速脱离的结合效应在细胞中有巨大的作用：它允许本征结构无序蛋白（或简称IDP）同时或快速连续地接收和应答分子信息，进而行使细胞信息中枢的功能，整合多信号并通过开合功能来应对细胞环境的改变，并保证细胞正常运作。
研究人员才刚刚开始理解这种模式转变将如何改变我们对细胞中进展的看法。然而，结构无序蛋白似乎在很多生物过程中都留下过足迹。过去十年中积累的证据以及细胞分裂的过程表明，结构无序蛋白通过其信号传导能力，帮助启动和中止DNA编码生成蛋白质的过程。[2]结构无序蛋白同样提供使细胞分化成身体不同组织的信号。[3]换句话说，它们可能以某种方式帮助血细胞和肌肉细胞分化。生物学家还发现许多结构无序蛋白参与神经变性疾病、癌症和其他疾病。[4]
“目前的关键任务是，我们需要了解这些蛋白质在生物学中如何发挥作用，”来自加州斯科瑞普斯研究所的结构生物学家彼得·赖特（Peter Wright）说。为了回应最近这些发现，一个国际研究小组发起了“人类黑暗蛋白组计划”项目，以研究结构无序蛋白如何导致疾病。科学家们意识到自己对这些变形器的机制所知甚少。剑桥大学的分子生物学家马丹·巴布（Madan Babu）说：“这是细胞生物学的一种重新设想。”
折叠之外
二十多年前，赖特和他的合作者简·戴森（Jane Dyson）首次意识到结构无序蛋白的重要性。当时，赖特实验室的研究员理查德试图确定被称为p21的蛋白质的结构，这一蛋白可以帮助调节细胞分裂。理查德在实验期间不断遇到奇怪的结果。“你搞砸了实验准备，再试一次。”赖特对他这么说。然而在第三次实验后，他们发现结果没有差错。单独的p21似乎以一种无结构的形式漂浮，但是当它发现自己的结合蛋白时，则变成坚固的结构。研究人员在1996年发表了论文结果，这是科学家们首次直接挑战蛋白质的结构功能学说。[5]
赖特开始通过科学文献搜索更多结构无序蛋白的例子，并迅速发现了15或20个，它们都被描述为一次性的、奇怪的实验结果。他和合作者接着开发了一个计算机程序，来绘制组成这些蛋白质的氨基酸链，并将他们与结构化蛋白的序列进行对比。通常，蛋白质折叠是因为一些氨基酸极尽所能地避免与细胞中的水基流体接触。正如油球在水中，蛋白质的疏水区域聚集在一起，而蛋白质不介意水的那部分则折叠在它们上面。 邓克尔（Dunker）的分析显示，结构无序蛋白具有与结构蛋白非常不同的氨基酸序列。当他在序列蛋白质数据库中寻找这些差异时，极大数量的无序的嫌疑蛋白脱颖而出。甚至更有趣的是，更高百分比的蛋白质序列在更复杂的生物体中是无序的——例如，细菌大肠杆菌中约20％的氨基酸是无序的，但是在人类中这个百分比是其至少两倍。
然而，生物学家仍然不相信，结构无序蛋白做了什么有趣的或者重要的事情。许多人反驳道，尽管蛋白质可能在人工实验环境中不折叠，它们在细胞中肯定会折叠成某种形状。即便其在自然状态下结构无序，当遇到结合目标时，则会陷入结构化的情形，就像理查德的p21蛋白那样。怀疑者认为任何结构无序蛋白都必须是一次性的异常值，而蛋白质经典的结构功能学说才是颠扑不破的真理。
“我们的答案是：这不是真的，”赖特说。
无结构的功能
蛋白质的结构无序沿着连续体发生。在光谱的一端是像p21这样的蛋白质，其在与其他蛋白质接触时折叠。在另一端则是那些仍然瘫软和懒散，像湿面条束一样，从不采取任何形状的蛋白质。研究人员仍然不知道这个范围如何对应于它们多变的功能，但是更像一个字符串而不是像一个带锁孔的块状物意味着一个蛋白质可以与其他分子进行许多接触，来调节驱动细胞的信号网络。 “你有所有这些开关，来应用于各种功能。”邓克尔说。
但是即使结构无序蛋白在多细胞生物体中占基因能够产生的蛋白质的30％至50％（取决于生物体），在任何时刻，它们仅以极少数量在细胞中存在。 2008年，巴布在他实验室的一个研究员提出一个愚蠢的问题后发现：如果这些非折叠的蛋白质如此常见，如果其中许多都在细胞中如意面一样漂浮，而不会纠缠在一起，或者通过缠结细胞中的其他分子而引起麻烦？当他们检查了一个包含大约5000种人类蛋白质的数据库后，他们发现大多数非结构蛋白质都是少量表达的，并且在完成工作后迅速被破坏。
巴布说，细胞严格地调节结构无序蛋白的产生，并确保它们迅速地被翻新，其原因是结构无序蛋白本身包含了巨大的危险。如果表达过多就会像高层管理者过剩，有太多的人施号命令，而使得生产力停止。而将这个逻辑应用到细胞，事情可能会变得丑陋：结构无序蛋白负责调节细胞不同组件之间的通讯，具有多余的副本可能会让它们发送出原本不该被发出的信号。 “这些蛋白质是如此危险，以至于你不能承担不好好管理它们的后果。”巴布说。
巴布的研究首次揭示了细胞中结构无序蛋白如何被调控。第二年，西班牙巴塞罗那基因组调控中心的本·莱纳（Ben Lehner）研究组发表的一篇论文则发现另一个问题：当细胞产生太多结构无序蛋白时，就会死亡。通过证明结构无序蛋白的生物学重要性，这两篇论文将结构无序蛋白带入科学家的视野里。理查德说：“很多生物学家开始看到结构无序蛋白是非常重要的——它们并不仅仅只是一些结构生物学家想象出来的产物。
毫不奇怪，结构无序蛋白直到最近才开始引起重视。“大多数用于研究蛋白质的方法都会错过它们……这就像在灯罩下寻找钥匙的经典范例。”巴布说。
20世纪60年代，研究人员开发出蛋白质晶体学技术，它是确定蛋白结构最流行的方法。蛋白晶体学涉及分离出纯蛋白样品，使蛋白质成为结晶，然后拍摄晶体的X射线并绘制出光线在何处反射的路径。因为结构无序蛋白没有固定的形状，它们并不会结晶。这使得研究人员忽略了完全无序的蛋白质，或者说找到了剔除无序蛋白的方法。来自加利福尼亚大学伯克利分校的詹姆斯·赫利（James Hurley）说：“大多数晶体学家，包括我自己，都认为这东西是垃圾，是你为了获得晶体必须摆脱的东西。我们至多认为它们是连接有趣位点的接头。”
对他而言转折点发生在五年前，一位同事通过数据向他证明，一些无序的蛋白质可能形成悬浮在细胞液中的液滴。研究人员仍然不知道这个过程发生的确切方式或原因，但有人推测它会将分子带到一起用于信号传导。 “在那一刻，我意识到它们的重要性。”赫利说。
赫利擅长的研究领域是自噬，一种分子自杀的形式，它是2016年诺贝尔生理学或医学奖的主题。在过去几年中，他和其他人发现两种结构无序蛋白帮助启动了自噬的过程。赫利推测这些结构无序区域的作用就像一个弱的胶水，创造恰到好处的粘合力，来聚集自噬所需的分子组分。
当他们继续探索结构无序蛋白在细胞内的作用时，研究人员也在寻找研究结构无序蛋白如何工作的基本问题。如果一个蛋白同时具有无序和有序区域，那么这两个区域如何相互作用？结构无序蛋白的进化与折叠蛋白的进化有何不同？此外，分子如何弄清楚到底结合在无序蛋白的哪一段？赖特认为，尽管在过去五年中计算机分析和用于探测结构无序蛋白的实验室工具已有所改进，但在活细胞中直接研究它们仍然是一个挑战。
研究人员还希望探索结构无序蛋白如何导致疾病。大多数药物被设计成通过阻断重要位点的方式来干扰特定的疾病通路。但研究人员才刚刚开始瞄准结构无序蛋白。
参考
1. D2P2: database of disordered protein predictions. Nucleic Acids Res 2013; 41 (D1): D508-D516. doi: 10.1093/nar/gks1226.
2. Malleable machines take shape in eukaryotic transcriptional regulation, Nature Chemical Biology 4, 728 - 737 (2008), doi:10.1038/nchembio.127.
3. Tissue-Specific Splicing of Disordered Segments that Embed Binding Motifs Rewires Protein Interaction Networks, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2012.05.039.
4. The contribution of intrinsically disordered regions to protein function, cellular complexity, and human disease, Biochem Soc Trans. 2016 Oct 15; 44(5): 1185–1200, doi: 10.1042/BST20160172.
5. Structural studies of p2lWa1CiPl/Sdil in the free and Cdk2-boundstate: Conformational disorder mediates binding diversity, http://www.pnas.org/content/93/21/11504.lon
Alla Katsnelson
自由职业作家，《科学家》杂志特约编辑，涉及领域包括生物学、医学和健康科学。 她的文章已被发表于《自然》、《科学美国人》、《卫报》和其他出版物。 她热爱分子生物学。
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