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细胞如何被热死的?蛋白质动态特性研究

作者:佚名 来源:煎蛋网 日期:2017-05-17
导读

         当温度上升到某个阈值,细胞开始衰竭并死亡。对于这种现象的最直观解释就是:对我们十分关键的蛋白质对热的耐受性有限。蛋白质负责帮助生物从食物和阳光中获取能量、组建免疫机能、降解代谢废物等,简直就是生物界的乐高,而对应功能模块的蛋白质具备不同的优美结构。一般的蛋白质以长链的形式,堆叠成螺旋结构、以组装的配置形成对应的蛋白质链式形态。而蛋白质的形态则与蛋白质对应的功能呈现出强关联性。当温度开始上升,蛋白质骨架开始断裂,首先是耐热性最弱的关节,接着是更强的,最后完全分解。蛋白质结构被热破坏看来是最为致命的关键,而整

关键字:  细胞 

        当温度上升到某个阈值,细胞开始衰竭并死亡。对于这种现象的最直观解释就是:对我们十分关键的蛋白质对热的耐受性有限。蛋白质负责帮助生物从食物和阳光中获取能量、组建免疫机能、降解代谢废物等,简直就是生物界的乐高,而对应功能模块的蛋白质具备不同的优美结构。一般的蛋白质以长链的形式,堆叠成螺旋结构、以组装的配置形成对应的蛋白质链式形态。而蛋白质的形态则与蛋白质对应的功能呈现出强关联性。当温度开始上升,蛋白质骨架开始断裂,首先是耐热性最弱的关节,接着是更强的,最后完全分解。蛋白质结构被热破坏看来是最为致命的关键,而整个细胞结构有是如何被破坏的呢?

        苏黎世联邦理工学院的生物物理学家通过对四种生物体内的蛋白质状态随温度上升的变化进行观测,积累了大量的数据,相关的研究成果也发表在今年 2 月的《Science》上。实验发现,在一定的温度下,无论是人类还是大肠杆菌的部分细胞中有一部分关键蛋白的解体,便会导致细胞死亡。同时,细胞内某种蛋白质的含量也与蛋白质稳定性有关。相关的结果能够为蛋白质维护和管理提供一定的依据,而其中的规律已经远远超过单纯的结论:热死的细胞归因于蛋白质解体。

        Paola Picotti 是该项目的发起人,他解释道这项实验解释了一个古老而棘手的问题:为什么一些细胞能够在高温环境生存,而其余的熟了。Thermus thermophilus(一种嗜热细菌)喜欢生活在温泉中,甚至在一些家用的热水器中也有发现,而大肠杆菌只能忍受 40 度的高温。这种生存能力与不同生物体内的蛋白质稳定性强相关。但是要在某个活细胞内部对单一蛋白质的状态进行观察和积累还不甚简单;而在试管中对单一蛋白进行实验又无法模拟原有细胞的相关环境,在细胞内部,不同的蛋白质混杂在一起,通过一些化学键衔接,形成特定的形态。要掌握蛋白质衰变的具体过程,需要将整个环境和蛋白质之间的影响包含进去。

        为了解决这一问题,该团队设计了一种庞大而复杂的自动化处理流程,在处理中他们利用酶的对细胞内的蛋白进行分离,提取其中的蛋白质,并且进行加热。研究人员通过酶分解得到的蛋白质片段来分析当前温度下的断裂部位。通过对不同温度下的数据记录,他们描绘出一张相对连续的蛋白质展开和变性热敏曲线。通过对上千种蛋白质热敏感曲线的记录,他们展示了蛋白质从适合温度下的完整结构到不同温度下的变性曲线。并且,为了探求不同物种体内蛋白质的特异性,他们专门的研究了人、大肠杆菌、嗜热链球菌和酵母菌四类生物细胞内的蛋白。来自芝加哥大学的生物学家 Allan Drummond 称之为一项美轮美奂的实验。

        对于所使用的实验物种而言,蛋白质并不会随温度升高产生大量的解体。反而,他们只观测到很小部分的蛋白质在非常早 (温度上升) 的阶段解体,这些就是关键的 (致死) 蛋白。在一个网状的蛋白质交互图中,这些关键蛋白往往处于网络的核心节点,与其它蛋白拥有大量的连接。这就意味着他们影响着细胞内部的关键功能,失去这些蛋白质,细胞将失能。同样,如果用网络进行类比,这些关键的蛋白在温度上升后奔溃将导致网络被破坏。

        但是这一悖论 -- 生物体内的关键蛋白十分脆弱 -- 是如何在物种漫长的进化过程被塑造成现在的模式呢?如果对于一个八面玲珑的全能蛋白质,不稳定、容易展开和折叠将是一种得天独厚的优势,通过这种变换,关键蛋白能够变换形态,从而完成不同目标。“很多类似的关键蛋白具有高度的灵活性,这也使得他们非常不稳定”,但是这种灵活性使得他们能够与细胞内的不同分子进行绑定,完成不同的工作。这或许是某种折中。

        拿大肠杆菌来说,他们的数据最直观,他们也发现了蛋白质丰富程度的关联特性(细胞内部的同种蛋白质含量 -- 对应蛋白质稳定性)。就实验数据而言,含量越多的蛋白,失活的温度越高,越耐热。而罕有的蛋白耐热性更差。蛋白质含量与稳定性的关联与 Drummond 数十年前的一个想法不谋而合,细胞蛋白 -- 偶尔出现错误。通常,某种错误会导致蛋白质不稳定。如果普通蛋白失稳,但是由于细胞体内的相关蛋白量很大,将会有大量的错误蛋白堆积在细胞内部。由此可见,进化通过提高需求量大的蛋白稳定性,有助于细胞的整体稳定性。而本次的实验数据也支持这一结论。

        接着,我们需要探索是什么样的特性使得某些蛋白质具有耐热稳定性。通过对比大肠杆菌和嗜热链球菌的相关数据,大肠杆菌的蛋白在 40 度左右开始瓦解,在 70 度左右会完全崩塌(因此,蛋友洗菊花使用 40 度左右的温水即可,无需过烫)。而在 70 度时,嗜热链球菌也就刚刚开始不舒服,直到 90 度他们还能保持蛋白质结构,保持活性。他们还发现嗜热链球菌的稳定蛋白质的结构相对较短,出现的结构也十分相似。

        相关的发现能够辅助研究人员设计出实验所需的稳定蛋白质结构。在很多工业生产和处理中(包括对细菌的利用),有时需要调节工业生产的温度,但是由于对其中的机理掌握不明确,会导致细菌由于过热而死。如果能够通过某种方式保护这些会在早期分解的蛋白质,达到保护这些细菌的目的,这将是十分有趣的一件事。当然也能够用于控制低温灭活而不破坏其他有效蛋白质成分——巴斯消毒。

        除了这些结果之外,关于不同蛋白质展开模式也引起了生物学家的兴奋。蛋白质形成聚合物的可能性与其稳定性强相关:解体后的蛋白质片段会互相混杂在一起,针对细胞而言是致命的。如果这种堆积发生在某些神经元细胞将导致严重的精神问题,比如阿兹海默症 -- 变性的蛋白质碎片堆积在病人的大脑中。

        但是,并非只有以上病患的细胞体内才会发生蛋白碎片的聚集。实际上,蛋白质碎片的堆积在任何时候都会发生,如果在没有任何压力的情况下。正常细胞能够处理掉这些堆积的碎片。大多数细胞蛋白都可能因为错误展开和断裂在细胞产生堆积。而关键在于某些蛋白质展开的时间,这一关键因素直接影响蛋白质碎片的堆积时间。有些蛋白质完全不会发生展开和堆积,而另一些只在特定条件下发生,而还有一些蛋白质经常发生展开。该论文揭示了相关的规律,使得相关现象和研究更容易被解释。一些曲线也展现出某些蛋白在展开后发生堆叠的规律。他们已经成功的对这一过程进行了分步监控 -- 蛋白质打开和随后的聚合,这也是该研究的成功之处。

        很多研究人员更加热衷于关注堆叠现象,因为他们往往导致毁灭性的结果,其中一些人从另外的角度进行了相关的研究。Drummond 称一些堆积现象不仅有细胞周围悬浮的垃圾形成,相反,正常的活性蛋白也会被缠绕其中,虽然他们仍然能够继续工作。

        想象一下,看到某个远处的房屋正被烟雾缭绕着,地上横七竖八躺着些尸体,像是刚被从废弃拖出来似的。但是走进一看,那些人还活着,他们刚从冒火的大楼跑出来,等待下一步通知和紧急处理。虽然这个比喻很奇怪,但是 Drummond 把它用于类比对蛋白质堆积的研究现状:虽然蛋白质发生堆叠,但是并不意味着他们都在失活的情况下被堆积成团,一些蛋白质仍然活力满满。现在,这一相关的研究也成为一个独立的课题和方向。

        除了作为细胞损伤的标志,聚集的蛋白质可能一直保持活性直到细胞挂掉。这种聚集也能够对一些蛋白质形成对周围环境的保护。当某些情况下,环境好转,其中一些蛋白质能够脱离聚集的团,重新折叠。这种形态的转化是温度敏感的,如果过你不仔细凑近观察,你可能会认为这种堆叠是有害的。其实,暗中还有别的事情正在发生。在 2015 年的一篇论文中,他和他的同事确认了 177 个酵母蛋白,这些蛋白能够在堆积后重新脱离堆积的碎片团,重新折叠起来。而在即将发表的一片论文中,他们也描述了,通过对某一个蛋白进行修改从而消除细胞内的堆积过程实际上会对细胞产生不利的效果。

        总而言之,他们的工作揭示了蛋白质奇怪的动态结构。开始我们认为蛋白质的转录和表达严格工业流水化,某种工作目标下他们的结构固定。事实上,在他们的工作中会在不同的形态下互相转化。如果有必要,他们的形态会发生巨大改变。

        在分子层面,生命的形态以蛋白质的形式分分合合。

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