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传染性蛋白的“负面”和“正面”(三) 传染性蛋白的生理功能

已有 5510 次阅读 2018-2-21 09:50 |系统分类:科普集锦

传染性蛋白的“负面”和“正面”(三)

传染性蛋白的生理功能

文章摘要

蛋白质是生命活动的执行者,除了催化数千种化学反应,蛋白质还在生物的身体结构、信息传递、生物防卫等方面起不可缺少的作用。不同的生理功能不仅需要不同的蛋白质,还需要蛋白质分子形成各自的结构和形状。而蛋白质分子是由不分支的肽链组成的,从新合成的肽链到具有特定三维结构和有生理功能的蛋白质,需要复杂精细的肽链折叠过程。由于各种折叠方式之间的能量差别甚小,许多因素,包括自身浓度的变化、分子中一部分肽链缺失或者延长、基因突变引起的氨基酸残基改变、环境中酸碱度改变、离子浓度变化、周围的分子环境变化等,都能够使肽链的折叠方式发生改变。肽链折叠方式改变的后果之一,就是形成特殊的b-折叠:肽链中彼此平行而又方向相反的区段以氢键联系,形成片状结构,多个分子的这种片状结构还能逐层叠加,形成纤维状的聚合物。不仅如此,这样的结构还会使“正常”的蛋白也改变折叠方式,变成和自己一样的结构,因此这些结构的蛋白质具有“传染性”,也就是能够复制自己的结构,统称“传染性蛋白”,从英文的Prion一词意译而来。在许多情况下,这种“折叠错误”的蛋白会丧失原有的生理功能,而且其聚合物对细胞有害,引起疾病,包括疯牛病、痒羊病、人类的克-雅氏病、老年痴呆、帕金森氏症、杭廷顿氏症等中枢神经系统病症。除了这些疾病,折叠错误的蛋白还可以沉积在身体各处,引起各式各样的“淀粉样变性病”(Amyloidosis)。另一方面,Prion型的蛋白由于其稳定性和特殊结构,又可以获得新的生理功能,在生物材料的建造,物质储存、作为黑色素和牙釉合成时的模板、动物的长期记忆、以及免疫系统的信息传输中发挥重要作用,即一些传染性蛋白也能够发挥正常的,甚至不可替代的生理功能。本文以三个部分分别介绍传染性蛋白被发现的历史和形成机制、传染性蛋白所引起的疾病(负面),以及传染性蛋白执行的正常生理功能(正面)。


在本文的前面两部分中,我们详细介绍了传染性蛋白产生的机制及其致命的后果。但是,生物演化所创造的奇迹是无穷无尽的,能够利用各式各样的机制来为自己的生存服务。传染性蛋白出现的时间非常早,在原核生物中就已经存在,也就是已经有几十亿年的历史。在这几十亿年的时间内,难道生物就没有开发出利用这种现象的机制?换句话说,Prion型的蛋白特殊结构有没有正面的作用,执行一些正常的生理功能?

例如Prion型的结构是高度规律的,这样的结构能不能被用来建造生物材料,或者用作别的分子聚合的模板?淀粉样聚合物是高度浓缩的,这样的结构能不能被用作为储存物质的一种方式?淀粉样聚合物是高度稳定的,能不能被用来储存需要长期保留的信息?淀粉样聚合物的特殊结构,能不能用来传递信息?研究证明,我们在这里设想的传染性蛋白起正面作用的所有例子,生物都已经用自己的方式加以实现了,而且使用的巧妙程度远超出我们的想象。传染性蛋白的作用还真的可以是正面的。

这些蛋白形成Prion型的结构,就不再是失去生理功能,而是获得生理功能,因此这些蛋白质在绝大多数情况下都会进入自己的功能状态,即Prion型的结构,这和致病的传染性蛋白只以小的概率变为Prion型结构的情形形成鲜明对比。

在文章的这一部分中,我们将介绍生物对传染性蛋白加以正面利用的各种方式,其中包括作为“建筑材料”、作为储存方式、作为“分子手铐”、作为聚合模板、作为“记忆元件”、以及通过自己的特殊结构传递信息等。

Prion型的蛋白作为生物的“建筑材料”

      蛋白分子作为身体“建筑材料”的例子很多,例如人的毛发、指甲、鸟类的喙和羽毛、动物体表的各种鳞片、细菌的鞭毛、原核生物的细胞内的“骨架”(由MreB蛋白、FtsZ蛋白、CreS蛋白聚合成的长丝)、真核生物的“细胞骨架”,包括微管(microtubule)、中间纤维(intermediate filament)、以及肌纤蛋白微丝(actin microfilament)等。这些蛋白质分子含有大量的a-螺旋,在聚合时分子结构基本不变,也不结合能够染Prion型蛋白的染料刚果红(Congo redCR)和硫黄素TThioflavineTThT,见本文第一部分),因此不是Prion型结构的聚合物。

      而由横向b-折叠形成的聚合物,由于具有自己的结构特点,也可以被利用来建造一些特殊的生物材料。特别是当这些材料是在多细胞生物的体外或者在单细胞生物的细胞外时,这些聚合物就不容易对生物体造成损伤。蚕丝和蜘蛛丝是Prion型聚合物在多细胞生物体外形成结构的例子,而细菌的菌丝和菌膜就是Prion型聚合物在单细胞生物的细胞外形成结构的例子。

蚕丝和蜘蛛丝由Prion型结构的蛋白组成

      蚕丝是家蚕(Bombyx mori)做茧时使用的材料。蚕丝织成的蚕茧坚韧透气,可以用来保护蚕完成从成蛹到孵化为蚕蛾的变化过程。蚕丝几乎全部由蛋白质组成,其中70-80%为蚕丝蛋白(fibroin),20-30%为丝胶蛋白(sericin)。蚕丝蛋白组成蚕丝的中心部分,丝胶蛋白在外,将蚕丝蛋白的纤维包裹在一起。

      家蚕分泌蚕丝蛋白和丝胶蛋白的腺体是由唾液腺转变而来的,因此蚕吐丝是通过口部下唇上的孔实现的。蚕丝蛋白和丝胶蛋白在刚被合成时的环境为弱碱性(pH8.2),这时这两种蛋白是高度溶于水的,还可以在高浓度(大约30%蛋白质)的状态下被储存。这时两种蛋白的结构都是无定型的。在蚕吐丝时,这两种蛋白经过腺体的管道到吐丝口,途中管道的酸碱度不断降低,从开始的pH8.2逐渐降低到pH6.2,这主要是通过管道壁上的质子泵和碳酸酐酶(carbonic anhydrase,催化将水和二氧化碳变为碳酸氢盐和氢离子的反应)的作用来实现的。氢离子浓度的增高会使蛋白侧链上的羧基质子化,从-COO-变为-COOH,这个反应减少了肽链上的负电荷,再加上蛋白经过管道时受到的剪切力(shear force),使得肽链发生折叠,形成b-折叠,其中就包括有Prion型的结构。

      蚕丝蛋白分为重链和轻链。重链分子量为350 kDa,轻链分子量为25kDa。重链的两端各有一个亲水的氨基端和羧基端,其中氨基端由131个氨基酸残基组成,在pH降低时会变为Prion型的结构,而羧基端则负责与轻链结合。在重链的中间部分则是由富含甘氨酸和丙氨酸的重复序列组成,其中的丙氨酸残基上的丙基-CH(CH3)2像拉链上的齿,能够彼此咬合,对蚕丝蛋白纤维的机械性能具有重要意义。

      蚕丝蛋白的轻链含有富含精氨酸残基和赖氨酸残基的重复序列,由于它们的侧链都带有自由氨基,所以在生理环境中是带正电的(氢离子能够与氨基氮的未共用电子对结合)。在pH降低时,轻链也会形成Prion型的b-折叠。

      丝胶蛋白含有大量由38个氨基酸残基组成的重复序列,其中丝氨酸残基(serine)的比例高达38.1%,丝胶蛋白(sericin)也因此得名。人工合成的丝胶蛋白会迅速形成为横向的b-折叠结构,可以被刚果红染色并在在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象,说明它们形成的结构和Prion分子的结构非常相似。

这样,蚕丝蛋白的重链的氨基端,蚕丝蛋白的轻链,以及丝胶蛋白,在pH降低时都会变为Prion型的横向b-折叠,使得蚕丝蛋白从可溶状态变为固体状态。

蛛丝是蜘蛛生产的蛋白质性质的纤维,有多种用途,包括形成蛛网的蛛丝,包裹蛛卵起保护作用的蛛丝以及缠绕猎物以防逃脱的蛛丝。在蛛网中,辐射方向的蛛丝和螺旋状的蛛丝成分也不同。因此同一个蜘蛛常常能够分泌67种蛛丝。辐射方向的蛛丝和蜘蛛把自己吊在空中的蛛丝要承受很大的拉力,叫曳丝(drag silk)。组成曳丝的蛋白主要是蛛丝蛋白(spidroin)。

和蚕丝蛋白类似,蛛丝蛋白在刚生产出来时也是水溶性的,没有固定的结构,可以在高浓度下被储存。在蛛丝蛋白被排出体外时,腺体管道的pH值不断降低,从开始时的7.6降到出口处的5.7。这个pH降低的过程也是质子泵和碳酸酐酶作用的结果。酸度的增加使得蛋白侧链上的羧基质子化,从-COO-变为-COOH,减少肽链上的负电荷,使得肽链的形状发生改变,形成b-折叠,包括Prion型的b-折叠。

蛛丝蛋白在结构上非常类似于蚕丝蛋白的重链,即中间部分含有许多富含甘氨酸和丙氨酸残基的重复序列,在其两端也有性质不同的氨基端和羧基端,但是蛛丝的氨基端和羧基端在氨基酸序列上和蚕丝蛋白重链的氨基端和羧基端有所不同。蛛丝蛋白的氨基端在pH降低时会形成二聚体,但是不像蚕丝蛋白重链的氨基端那样形成Prion型的b-折叠,而蛛丝蛋白的羧基端在pH降低时却会转变为Prion型的b-折叠。

在弱碱性的环境中使蚕丝蛋白、丝胶蛋白和蛛丝蛋白处于可溶的高浓度状态以便储存,又通过改变pH来减少肽链的负电荷而改变折叠状况,变为不溶于水的淀粉样聚合物,形成机械性能优越的蚕丝和蛛丝,是家蚕和蜘蛛对传染性蛋白结构的巧妙应用。在体内储存时,偏碱的pH使得这些蛋白处于水溶性状态,即没有Prion型的结构,对动物而也没有害处。只有当这些蛋白被排出体外时,pH的降低才使得这些蛋白转变成为不溶于水的Prion型的结构。通过这种方式,家蚕和蜘蛛既利用了Prion型结构的优点,又避免了这样的结构在形成过程中可能产生的毒性,是一个非常“聪明”的办法。

大肠杆菌的菌毛也是由Prion型结构的蛋白组成的

      传染性蛋白不仅可以被动物用来形成体外结构,例如上面谈到的蚕丝和蛛丝,更原始的生物,原核生物中的细菌,就已经使用prion型的蛋白来建造细胞外部的结构,这就是细菌的菌毛和细胞外基质。

      例如能引起尿道感染的大肠杆菌在细胞的外膜上长有细长而弯曲的蛋白性质的细丝,叫做菌毛(curli),使细菌附着于尿道内壁。菌毛可以被刚果红染色,而且刚果红在结合于菌毛上后,其吸收峰值从480nm变为541nm,而这正是Prion型蛋白的特征(见文章第一部分)。菌毛也可以结合另一个用于鉴定Prion型结构的染料硫黄素TThT),而且ThT在结合菌毛后发射光的峰值红移到482 nm,与ThT结合于其它典型的Prion型结构时相同。这些结果都说明大肠杆菌的菌毛是由Prion型结构的蛋白所组成的。

大肠杆菌的菌毛由两个蛋白亚基组成,分别叫做CsgACsgB,分别由CsgA基因和CsgB基因编码,在这里Csg的意思是菌毛特异基因(Curli specific genes)。CsgA蛋白以无结构的肽链被分泌到细胞外,与附着于细胞外膜的CsgB蛋白结合,这个结合就启动了蛋白结构的改变,从无定型的结构变为横向b-折叠的结构,即Prion型的结构。

CsgACsgB蛋白都由151个氨基酸残基组成,序列有30%相同,也都含有5个相似的重复序列,说明这两个蛋白都有变为Prion型蛋白的能力。例如缺少羧基端19个氨基酸残基的CsgB不再能够附着于细菌的外膜,以分泌蛋白的形式被转移到细胞外,在那里就会形成Prion型的结构。可能是CsgB先形成Prion型的结构,然后把结合于它的CsgA蛋白也转变为Prion型的结构。

CsgACsgB蛋白编码的基因和另一个基因,CsgC(功能尚不明确),存在于同一个操纵子(operoncsgBAC中,即它们共用一个启动子,以便三个蛋白的表达能够协调一致。CsgA分泌出外膜需要经过由CsgG蛋白在外膜上形成的孔,CsgB到细胞表面需要CsgF的帮助,而csgBAC操纵子的活性又由CsgD蛋白控制。CsgFCsgE蛋白还有伴侣蛋白(chaperonnin)的活性,帮助CsgACsgB在组装前不会变为其它的结构。而为CsgDCsgECsgFCsgG蛋白编码的基因又处于同一个csgDEFG操纵子中。因此菌毛的形成需要多个蛋白协调一致的工作,说明这是细菌在长时期中为了发展和完善菌毛形成而发展出来的复杂调控机制。

枯草杆菌的细胞外基质含有Prion型结构的蛋白

      枯草杆菌(Bacillus subtilis)生活在土壤中,在一定条件下细胞可以彼此结合,形成菌膜,以群体的形式应对环境的变化。菌膜的形成主要是通过细胞外的基质(extracellular matrix)来实现的。基质主要由两部分组成,一个是细胞外多糖(exopolysaccharideEPS)。另一个就是主要由TasA蛋白和TapA组成的细丝。TasA能够形成Prion型的结构,是菌丝的主要成分,作用相当于大肠杆菌的CsgATapA为菌丝的次要部分,将TasA蛋白连接到细胞外壁上,同时启动TasA蛋白变为Prion型结构的转变,作用类似于大肠杆菌的CsgB。不过TapA本身并不形成Prion型的结构,而是通过其氨基端中的8个氨基酸残基触发TasA蛋白改变折叠方式而形成横向b-折叠的过程。在试管中,提纯的TasA蛋白也需要一定比例TapA的存在才能转变为Prion型的结构。

      TasATapA蛋白的作用还需要第三个蛋白,SipW。这是一个蛋白酶,可以将TasATapA前体蛋白的信号肽链部分切除,使它们成为细胞外部和细胞表面的蛋白。为TasA蛋白、TapA蛋白和SipW蛋白编码的基因,类似于大肠杆菌的情形,也位于同一个操纵子中,共用一个启动子,以保证这三种蛋白的生成是协调一致的。

枯草杆菌的内生孢子壁由Prion型的蛋白构成

在环境条件恶劣时,一些细菌,例如厚壁菌门(Firmicute phylum)中的杆菌(Bacillus)和梭菌(Clostridium),能够改变自己的结构,变成内生孢子(endospore)。内生孢子外面有厚厚的壁包裹,细胞里面的内容物浓缩,并且含有高浓度的吡啶二羧酸钙(Calcium dipicolinate)。这种孢子由细菌自身变化而来,不是繁殖后代的孢子,其目的是在恶劣环境上长期休眠,在条件合适时再恢复生命活动。这种孢子能够抵抗干旱,紫外辐射,高温等不利条件而存活成千上万年。最古老的可以复活的内生孢子是从多米尼加发现的一块琥珀中一种细菌Bacillus morismortui(类似于现今存活的圆形芽孢杆菌Bacillus sphaericus)的内生孢子,经过至少2亿5千万年仍然能够复活。

用硫黄素TThT)染这种孢子,发现ThT的荧光均匀地分布在孢子表面,而且ThT分子发出的荧光在结合孢子后增强,而这正是Prion型蛋白结构的特征(见本文第一部分),说明Prion型蛋白的稳定结构也被细菌用来形成长期保护自己的结构。

Prion型结构是肽链型激素实现高浓度储存的方式

      一些(不是所有)肽链型激素,例如生长激素(growth hormoneGH)、催乳素(prolactinPRL)、促肾上腺皮质激素(adrenocorticotrophichormoneACTH)、胰高血糖素(glucagon)、内啡肽(endorphin)等,由腺体生成,储存在合成它们的细胞内,在接收分泌信号时再释放到血流中去。

      为了在高浓度下被储存,构成这些激素的肽链折叠状态发生改变,变为横向b-折叠,并且形成聚合物。这些聚合物能够被硫黄素TThT)染色,并且染色后的ThT的荧光强度增加。这些结构也结合刚果红,一种特异结合Prion型蛋白结构的染料,说明这些聚合物具有Prion型的结构。这些结果也得到电镜检查和圆二色性测定的证实,说明生物利用了Prion型蛋白的紧密结构以高浓度来储存蛋白质。

      为了避免这些蛋白变为Prion型结构时可能产生的毒性,这个聚合过程是在由生物膜包裹的分泌小囊中进行的。由于是分泌型蛋白,这些蛋白在内质网-高尔基器中生成,并且包裹在由高尔基器发出的小囊中。当内部的pH降低到5.5左右时,蛋白像蚕丝蛋白和蛛丝蛋白那样改变折叠方式,形成Prion型的聚合物。在需要分泌时,分泌小囊与细胞膜融合,这些激素分子就被分泌到细胞外去了。

      这些肽链型激素是以单体分子的形式发挥生理功能的。为了在分泌到细胞外后能够又变为单体分子,这些蛋白分子变为Prion型结构的过程必须是可逆的。研究发现,在变为Prion型结构的过程中,只有比较短的肽链部分变成了横向b-折叠,原有的一些a-螺旋结构仍然存在。例如人的生长激素由191个氨基酸残基组成,但是只有11个氨基酸残基(残基72-82)与横向的b-折叠形成有关。分子其余的部分分布在b-折叠纤维的周围,其原有结构尽量保存,这样在环境条件变化时,例如被分泌到细胞外时,蛋白质比较容易脱离Prion型的聚合物,恢复单体状态。因此,蛋白分子从非Prion型的结构变为Prion型的结构既可以是不可逆的,像许多致病的传染性蛋白,也可以是可逆的,例如这里介绍的肽链型激素。所以可逆还是不可逆,就要看蛋白发挥生理功能的形式是什么。

Prion型的蛋白也为休眠中的卵细胞储存“嫁妆”

      卵细胞在生成后,常常要等待很长的时间后才能被使用。例如人的卵细胞在女孩尚未出生时就形成了,要过十几年,甚至几十年后才成熟并且被使用,在这之前卵细胞就一直处于休眠状态。一个有趣的现象就是,从线虫、果蝇到脊椎动物,卵细胞在形成的初期都会在细胞内生成一个高密度的团状物,界限清晰而又没有膜包裹,叫做“巴比阿尼体”(Balbiani body)。它只存在于休眠期的卵细胞中,在卵细胞成熟时就消失了。

检查巴比阿尼的组成成分,发现它含有RNA和线粒体,被认为是卵细胞在休眠状态时储存RNA和线粒体的一种结构,其作用是保护这些RNA分子和线粒体,以便在卵细胞成熟受精后使用,有点像卵细胞的“嫁妆”或者“细软”。

      形成巴比阿尼体结构的主要是是一种蛋白质,在斑马鱼中叫“布基球蛋白”(Bucky ball),在青蛙卵中叫Xvelo。它们的氨基端都含有能够转变为横向b-折叠,形成Prion型结构的功能域。它们形成的聚合物能够抵抗高浓度的盐溶液,在高温下也不解离,而且能够结合硫黄素T,说明它们形成的聚合物具有Prion型的结构。

敲除斑马鱼的Buckyball基因,或者青蛙的Xvelo基因,卵细胞中就没有巴比阿尼体形成,说明这些蛋白对于巴比阿尼体的形成是必要的。用其它传染性蛋白的Prion功能域取代这两种蛋白的Prion功能域,这样生成的蛋白虽然也能够形成Prion型的聚合物,但是却不能形成巴比阿尼体,也不会进入已经形成的巴比阿尼体,说明形成巴比阿尼体的蛋白有自己特异的Prion功能域,形成的聚合物也有自己的结构和性质,是其它的传染性蛋白取代不了的。

     

Prion型的蛋白形成“分子手铐”来抑制质粒DNA的复制

      质粒(plasmid)是染色体外的环状DNA,主要存在于细菌中。质粒常常带有对细菌有益的基因,例如抵御抗菌素的基因。质粒能够自我复制,而且通过细菌之间由细丝形成的通道从一个细菌传播到另一个细菌中去。

      质粒既然可以自我复制,一个细菌也就可以含有多个质粒。细菌细胞中质粒的数量是受到控制的,既不能太少,也不能太多。假单孢杆菌(Pseudomonas syringae)所含的质粒叫做Psudomonas pPS10,其复制过程是受一个蛋白RepAreplication protein A)控制的。RepA既能够让 质粒复制,又不让它复制过分,这里面的机制就包括RepAPrion形式。

RepA蛋白是由质粒自身的DNA编码的,由320个氨基酸残基组成。它含有两个WHwinged helix)功能域WH1WH2,都由a-螺旋组成。在a-螺旋结构不变的情况下,一个RepA分子上的WH1域能够与另一个RepA分子上的WH1域结合,形成RepA的同质二聚体。WH2域含有结合质粒复制起始点DNA序列的界面。在RepA二聚体通过WH2域结合到质粒的复制起始点时,二聚体解离,变成单体。单体的RepA能够作为质粒复制的启动蛋白,开始质粒的复制。

RepA蛋白单体与质粒DNA的结合也改变其WH1功能域的结构,使其转变为横向的b-折叠,而WH2域的结构并不改变,仍然能够结合DNA。结合在两个质粒上的RepA蛋白单体通过变为Prion型结构的WH1功能域彼此结合,将质粒复制完成后形成的两个质粒连在一起,像一根绳子拴住两个环,类似手铐的形状,所以这种情形叫做把两个质粒“銬”起来(handcuffed)。由于质粒上的复制起始点被掩盖,质粒也不能进一步被复制,因此这种手铐结构能够防止质粒过度复制。在质粒需要再复制时,由三个伴侣蛋白DnaK-DnaJ-GrpE组成的复合物可以对质粒进行“解铐”,使质粒恢复“自由身”,再由RepA进行复制。

WH1功能域聚合成的结构能够结合刚果红,并且将其吸收峰红移到500 nm,说明WH1形成的聚合物确实具有Prion型的结构。

假单胞杆菌中RepA蛋白的例子说明,有些蛋白分子可以有两种结构和两种功能状态。在RepA分子通过WH1功能域形成同质二聚体时,分子还是由a-螺旋组成,分解为单体后也以a-螺旋的结构执行复制质粒的工作。WH1功能域变为横向b-折叠后RepA分子也形成二聚体,但是在这里是通过b-折叠的结构而结合,功能不再是复制质粒,而是将两个质粒连在一起,阻止质粒复制。在这里,Prion型结构的蛋白也有正常的生理功能,与引起疾病的传染性蛋白变为Prion型结构后丧失正常的生理功能不同。当然Prion型结构的蛋白质杀伤细胞也可以算作一种“功能”,但那不是正常的生理功能。

RepA蛋白的例子也说明,Prion型结构的蛋白,即使在细菌的细胞内,也可以是没有毒性的。下一个例子是Prion型结构的蛋白在哺乳动物的细胞内,不但没有毒性,还执行重要的生理功能,这就是Pmel17蛋白在黑色素形成中的作用。

Prion型的Pmel17蛋白作为黑色素合成的模板

      黑色素(melanin)是生物合成的色素。生物以酪氨酸为原料,经过几个氧化步骤,再进行聚合,形成黑色素。黑色素能够吸收光线,包括可见光和紫外光。在皮肤中,位于上皮底层的黑色素细胞(melanocyte)合成黑色素,保护皮肤不受紫外线的伤害。在眼中,黑色素由视网膜上的色素细胞(retinal pigment epithelial cellsRPE)合成,其作用是遮光,避免光线从视网膜的后面进入感光细胞。黑色素是在细胞的黑色素体(melanosome)中合成的。黑色素体是细胞的一种细胞器,有膜包裹,里面的环境为酸性(pH5.0左右)。

      1930年,在小鼠身上发现了一个基因,它的突变会使小鼠合成黑色素的功能受到阻碍,小鼠身体为白色,因而被称为“银白基因”(silver gene)。到了1991年。这个基因被克隆,出人意料的是,这个基因与黑色素合成的化学反应并没有直接关系,而和黑色素体的形成有关,因为被称为“前黑色素体蛋白”(premelanosome protein 17Pmel17)。用电镜检查黑色素体,发现里面有定向排列的纤维,黑色素就在这些纤维上生成,组成这些纤维的,就是Pmel17蛋白。

      Pmel17一开始是一个膜蛋白,即通过蛋白质的穿膜区段与黑色素体的膜联系,其主要部分伸入到黑色素体腔内。蛋白酶将Pmel17蛋白切为两段,仍然与膜联系的Mb段和在腔内的Ma段。Mb段随后被降解,而Ma段则改变肽链折叠状况,形成横向b-折叠,聚合成为纤维。这些纤维能够被刚果红和硫黄素T染色,证明它的确具有Prion型的结构。

研究发现,Pmel17纤维能够作为模板,使得形成黑色素的前体分子能够在上面聚合,最后形成黑色素。没有Pmel17蛋白,黑色素则无法形成。有趣的是,引起阿茨海默症的Ab蛋白和引起帕金森氏症的“a-突触核蛋白”(a-synuclein,见文章第一部分)也能够促使黑色素的形成,说明是Prion型蛋白的结构作为黑色素前体分子聚合的模板。

从本文的前两个部分知道,Prion型结构的蛋白,特别是在低聚状态时,可能会对细胞产生毒性。Peml17蛋白就是在细胞内聚合的,怎样避免它的毒性呢?生物采取的办法一是隔离,即这个聚合过程在被膜包裹的黑色素体中发生。二是让Pmel17聚合为Prion型蛋白的过程尽可能地快速,这样低聚物就没有时间给细胞造成伤害。在大肠杆菌内合成的Pmel17Ma片段可以在高浓度(8M)的尿素(破坏蛋白结构的分子)溶液中能以可溶状态存在,但是一旦尿素溶液被稀释,Ma片段在数秒的时间内就聚集成纤维,比Ab蛋白片段聚合的速度快上万倍,这就防止了低聚合度的Pmel17纤维有与细胞的内容物接触的机会。

合成黑色素的中间产物在化学性质上也非常活泼,还有可能经由扩散通过黑色素体的膜,进入细胞质,与其它分子发生化学反应而伤害细胞。让这个聚合过程在黑色素体内的Pmel17纤维上发生,就可以防止中间产物与细胞中的其他分子接触,不至伤害到细胞。因此Pmel17纤维作为黑色素前体分子聚合的模板,具有催化和吸附的双重意义。

Prion型的牙釉蛋白作为牙釉形成时羟磷灰石晶体聚合的模板

      牙釉(enamal)是牙齿最外面的部分,是生物材料中硬度最高的。成熟的牙釉主要由单晶体的羟磷灰石(hydroxyapatite)组成,这些晶体直径约50nm,长数百mm,所以成纤维状。而在牙釉形成的过程中,Prion型结构的牙釉蛋白(amelogenin)对羟磷灰石的聚合起到模板作用。

      在牙釉形成的初期,成釉细胞(amelocyte)分泌多种成釉蛋白,其中主要是牙釉蛋白。牙釉蛋白由175个氨基酸残基组成,其氨基端是亲脂的,能够形成横向b-折叠的结构,而其羧基端含有若干带电的侧链,能够与钙离子和磷酸根结合。在钙离子和磷酸根存在的环境中,氨基端会改变折叠状态,形成Prion型的结构,能够被刚果红和硫黄素T染色,光学测定也证实了其纤维的横向b-折叠结构。这样形成的纤维就作为羟磷灰石晶体生长时的模板,这样形成的纤维状晶体的方向也与釉质蛋白小纤维的方向一致。

在釉质形成的过程中,成釉细胞也会分泌蛋白酶Kallikrein-4KLK4),把牙釉蛋白逐渐降解,腾出空间为更多的羟磷灰石纤维生长,因此在成熟的牙釉中,牙釉蛋白已经不复存在,其作用只是在牙釉形成的初期以Prion小纤维的形式为羟磷灰石晶体的生长提供模板。

Prion型的结构可能作为植物中橡胶形成时的模板

    橡胶是橡胶树(Hevea brasiliensis)合成的,由异戊二烯单位组成的聚合物。在合成橡胶的细胞中,异戊二烯的聚合物存在于一种球形的“橡胶颗粒”(rubber partical)中。颗粒的内部是异戊二烯的聚合物,表面是一层脂膜,脂膜内有合成橡胶的酶,异戊二烯转移酶(prenyltrnasferase),它可以催化单体的异戊二烯二磷酸(isoprenyl pyrophosphate)中的异戊二烯部分被加到聚合物上,使聚合物的链不断伸长。细胞质中的异戊二烯二磷酸从橡胶颗粒的表面与转移酶接触,被添加到颗粒内的聚合物上,使得颗粒不断长大。

    研究发现,异戊二烯转移酶并不能单独催化这个反应,而是需要膜中的另一个蛋白,叫“橡胶延长因子”(rubber elongation factorREF)的。从橡胶颗粒上去除REF会使异戊二烯转移酶无法将异戊二烯单位添加到聚合物上去。

    有趣的是,REF能够聚合,形成Prion型的结构。光谱测定,包括圆二色性测定,表明单体的REF蛋白主要含有a-螺旋,而聚合状态的REF含有b-折叠。这个聚合物能够被刚果红染色,X-射线衍射实验证实了横向的b-折叠结构。由于REF并不直接参与化学反应,REF蛋白对橡胶合成的必要性有可能像黑色素的合成那样,以其Prion结构作为异戊二烯形成聚合物时的模板。

Prion型蛋白在长期记忆中的作用

记忆是神经系统发明的储存信息的机制,有了记忆,动物才能够从过去的经验中学习,对于动物的生存是绝对必要的。有些记忆只保留比较短的时间,例如用刚获知的一个新电话号码打电话,打完电话后这个号码很快就被忘记了,叫做短期记忆。有的记忆却可以保留很长时间,甚至可以保留终身,例如收到大学录取通知书的时刻,求爱成功的时刻等生活中的重大事件,称为长期记忆。但是在过去很长一段时期内,记忆的机制,特别是长期记忆的机制,却是一个谜。许多神经细胞虽然可以终身不死,但是细胞中的成分,包括各种蛋白分子,却是不断更新的,寿命从几分钟到几天。要在分子不断更新的环境中长期保留信息,似乎是一项不可能完成的任务。但是生物用非常巧妙的方式解决了这个难题,其中就包括利用Prion型蛋白的长期稳定性

神经细胞的信息输出是通过细胞发出的1根纤维,叫做“轴突”axon)的结构来实现的。轴突从细胞发出后,反复分支,这些分支的终端膨大,附着在其它神经细胞上,叫做突触synapse)。其它神经细胞上与突触相对的区域也有特殊的结构,叫后突触postsynapse)。轴突和后轴突之间有很窄的间隙,信号从轴突到达突触时,突触分泌出信号分子,叫做神经递质(neurotransmitter),神经递质分子通过扩散到达后轴突,结合在受体分子上,就可以把信号从第一个神经细胞传递到第二个神经细胞中去。

突触的功能是可以被调节的,如果第三个神经细胞发出的突触不是与第二个神经细胞接触,而是与第一个神经细胞的轴突联系,就会形成“轴突上的轴突”,第三个神经细胞发出的信号可以通过它的轴突影响第一个神经细胞的轴突,使第一个神经细胞的轴突发给第二个神经细胞的信号发生变化。

通过这样的结构,记忆就可以形成,而且只需要上面所说的三个神经细胞,这是由奥地利裔美国科学家Eric Richard Kandel在对海兔(Aplysia)的研究中发现的。Kandel发现,轻触海兔的吸水管时,海兔会把自己的鳃缩回,叫缩鳃反应,其中的机制也很简单:吸水管被触动时的信号被第一个神经细胞感知,这个细胞是感知信号的,所以叫做感觉神经细胞,在这里被称为神经细胞1。神经细胞把信号传给控制缩鳃反应的神经细胞,使被其控制的肌肉细胞收缩,使海兔的鳃缩回,这个细胞由于控制海兔的肌肉运动,叫运动神经细胞,在这里称为神经细胞2。这两个细胞就完成了海兔在吸水管被触动时缩鳃的反射动作。

如果在触动吸水管的同时又给海兔的尾部一个电击,缩鳃反应就更加强烈,鳃缩进的时间也更长。而且海兔在有了这样的经验后,在没有电击的情况下,只触动吸水管,也会有更强的缩鳃反应,好像海兔“记住”了吸水管被触动和尾部被电击之间的关系。这是典型的“巴甫洛夫”式的“学习”过程,即记住两个事件之间的联系(例如听见铃声就给食物,狗就会在只听见铃声,没有食物的情况下分泌唾液)。Kandel发现,这是由于感受尾部电击的神经细胞(神经细胞3)发出的轴突连在神经细胞1发出的轴突上,神经细胞3发出的信号使神经细胞1的轴突功能增强的缘故。功能增强的神经细胞1的轴突能够自己维持增强状态一段时间,在这段时间内,即使没有受到电击,触动吸水管时神经细胞1发给神经细胞2的信号都比以前要强,好像尾部也受到电击一样,总的效果就好像是海兔“记住”了尾部电击的事件,或者说尾部电击的信息以神经细胞1轴突增强的方式被储存起来了。

从分子机制上说,在尾部受到电击时神经细胞3会在其轴突上释放神经递质血清素serotonin)。血清素能够激活感觉神经细胞突触内的腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase),增加神经细胞1突触内环腺苷酸cAMP的浓度,cAMP又会激活依赖于cAMP的蛋白激酶APKA),PKA能够将突触处细胞膜上的钾离子通道磷酸化,使突触内钾离子流向突触外的过程受到阻碍,使得感觉细胞的动作电位更强和维持更长时间,让更多的神经递质谷氨酸盐被释放到突触间隙中,增强运动神经细胞(神经细胞2)的反应,即在运动神经细胞中诱导出更强的动作电位,使得缩鳃的程度更强,时间更长。不用电击,直接在细胞神经细胞1的突触上施加血清素,也有同样的效果。

一次电击所造成的神经细胞1的突触强化只能维持数分钟,叫做短时记忆(short-term memory)。短期记忆只需要PKA的活化和一些现成蛋白(例如钾离子通道)的磷酸化,因此不需要合成新的蛋白质。在cAMP被逐渐降解,浓度降低后,一切又恢复到强化前的状态。

但是如果条件反射训练(在刺激吸水管的同时在尾部进行电击)被重复多次,感觉神经细胞的突触就会被长期强化,可以保持一个星期以上,叫做长期记忆(long-termmemory)。长期记忆涉及突触结构和成分的改变,需要新的蛋白合成。从分子水平上讲,连续的血清素刺激会使吸水管感觉神经细胞突触内的cAMP浓度持续升高,使得PKA的活性也持续升高。PKA可以使“cAMP反应序列结合蛋白cAMP response element bindingproteinCREB)磷酸化而将其活化,活化了的CREB作为转录活化因子,可以结合在有关基因的启动子上,启动这些基因的表达。这些基因中包括“CCAAT增强子结合蛋白CCAAT enhancer binding peroteinC/EBP),C/EBP是一个转录因子,又能够启动第二波的基因表达。这些新表达的基因能够使得突触的强化固定下来,还会在感觉神经细胞和运动神经细胞之间形成新的突触连接,形成长期记忆。

不过每个分子的寿命都不长,轴突的长期强化是怎样维持的呢?这就需要一个能够长期使这个轴突合成有关蛋白的机制。另一个问题是,一个神经细胞可以发出多个突触,那么一些突触的强化是不是也会使这个细胞发出的其他突触也被强化呢?换句话说,信息是只储存在传输特定信号所使用的突触中,还是发出这个突触的整个神经细胞都和信息储存有关?为了弄清这个问题,Kandel使用了海蜗牛输出信号的神经纤维有分支的感觉神经细胞,每个分支通过突触连接到不同的运动神经细胞上。如果只在其中的一个突触上施加血清素,那就只有这个突触被强化,而且强化状态可以保持一天以上,而其余的突触不受影响。这说明同一个神经细胞上的不同突触是可以分别被强化的,信息只储存在通过使用(传输信息)被强化的突触上。

但是长期记忆需要基因转录和蛋白合成,而基因转录是在细胞体中进行的,生成的mRNA原则上可以到达神经细胞的任何突触,转译成蛋白质,强化所有的突触,细胞是怎样做到只强化传输某种特定信息的突触呢?答案就在于这些mRNA合成后,并不会直接被转译成为蛋白,而是处于休眠状态,只有在结合一种叫细胞质多腺苷酸化序列结合蛋白cytoplasmic polyadenylation element binding proteinCPEB)的蛋白分子后,mRNA尾部的多腺苷酸序列才能被延长,这样的mRNA才会被转译为蛋白质。

奇怪的是,CPEB蛋白单体并没有这样的功能,只有在改变肽链折叠状况,形成Prion型的结构时,才具有使休眠的mRNA被转译为蛋白质的功能。类似酵母细胞的Prion型蛋白Sup35Reb2(见文章第二部分),CPEB蛋白的氨基端也富含谷氨酰胺残基,能够形成横向b-折叠并且聚合。这个聚合物能够结合硫黄素T,使其发出的荧光增强,而且发射光谱的峰值移到482 nm,证明CPEB聚合形成的是Prion型的结构。专门识别聚合状态的CPEB的抗体,在被注射进神经细胞时,不影响短期记忆,却抑制长期记忆,说明Prion状态的CPEB才能够起活化mRNA,使其转译成为蛋白质。

CPEB在神经细胞中的浓度很低,但是在已经被短期强化的突触处,连续的血清素刺激会解除miRNA-22(一种微RNA)对CPEB mRNA转录为蛋白质的抑制,使CPEB在这个突触处的局部浓度升高,这个浓度升高使得CPEB改变分子结构,形成Prion型的结构,这就保证了为强化突触所需的mRNA只在已经被短期强化的突触中被转译为蛋白质,也使短期强化能够转化为长期强化,使短期记忆变为长期记忆。而在其它与这个信息储存无关的轴突中,由于CPEB的浓度很低,也形不成Prion型的结构,即使它们属于同一个神经细胞,也不会被强化。

Prion型的CPEB是高度稳定的,甚至在10%的十二烷基磺酸钠(SDS)中被煮沸5分钟也不会解聚。这样Prion型的CPEB也就作为长期记忆的元件,在需要维持强化状态的轴突中长期存在,这就是长期记忆的秘密。我们能够终身记住一些事件,靠的就是Prion型蛋白的稳定性。由于Kandel在记忆机制研究上的重要贡献,他被授予2000年的诺贝尔生理或医学奖。

生物利用Prion型的蛋白来形成长期储存信息的机制是如此巧妙,这样的机制也被果蝇,甚至哺乳动物所使用。果蝇的Orb2蛋白和海兔的CPEB蛋白高度相似,也能够结合在mRNA分子上,影响其转译。其氨基端也富含谷氨酰胺残基,很容易转变肽链折叠状况而形成Prion型的结构。由Orb2蛋白形成的聚合物也高度稳定,能够在SDS溶液中被煮沸而不会解聚。这样的聚合物结合硫黄素T,能够被针对聚合状态Orb2的抗体所识别,光谱分析也证明聚合物含有横向b-折叠的结构,说明Orb2的聚合物也具有Prion型的结构。

敲除Orb2基因,或者除去Orb2蛋白的氨基端而使其不能变为Prion型的结构,都会影响果蝇的长期记忆。单体的Orb2蛋白会缩短mRNA尾部的多腺苷酸序列,使mRNA分子变得不稳定而被降解。而Prion型的Orb2蛋白能够延长mRNA分子尾部的多腺苷酸序列,增加mRNA分子的稳定性并且被转录成为蛋白质。

在小鼠中,CPEB3蛋白与海兔的CPEB蛋白和果蝇的Orb2蛋白高度相似,其氨基端富含谷氨酰胺残基,能够聚合成为抵抗SDS的聚合物。像以上两个蛋白一样,小鼠的CPEB3在单体状态是mRNA分子转译的抑制物,而在变为Prion型的结构后,转变成为mRNA转译的活化物。小鼠经过学习过程(例如水迷宫、电击所引起的恐惧等)后,与记忆密切相关的海马区(hippocampusCPEB3的聚合物增多,与小鼠形成长期记忆相符。敲除小鼠海马区的CPEB3基因,小鼠的长期记忆就受到损坏,但是短期记忆和行为不受影响。

这些事实都说明,从低等动物到高等动物,CPEB蛋白的Prion状态都被当做长期记忆的元件。而且像假单胞杆菌的RepA蛋白一样,CPEB蛋白也有两种分子结构和两种生理功能。单体的RepA分子促进质粒的复制,Prion型的RepA抑制质粒的复制;单体的CPEB蛋白抑制mRNA分子的转译,而Prion型的CPEB促进mRNA分子的转译。

Prion型的纤维蛋白发出降解自己的信号

      Prion型的蛋白结构,由于自身结构的特殊性,还可以用来输出信号。例如血管受损时,血液会从血管破裂处流出,如果没有机制阻止这个过程,就会造成持续的出血。生物采取的办法,是形成血块,将破损处堵住。这主要是由纤维蛋白(fibrin)来实现的。

    纤维蛋白平时以纤维蛋白原(plasminogen)的形式在血液中存在。当有组织伤害时,纤维蛋白原被凝血酶(thrombin,又叫纤维蛋白酶)转化为纤维蛋白。纤维蛋白分子聚合成链,并且被凝血因子XIIIablood factor XIIIa)交联,形成网状结构,将血细胞和血小板包裹进去,形成血块,堵塞住血管破损处。

      但是血管内也不能只生成血块,而在伤口恢复后不加溶化。血块是具有危险性的结构,脱落下来会造成血管栓塞,导致严重后果。而溶解血块的信号正是由Prion型的纤维蛋白发出的。纤维蛋白在聚合形成血块时,分子结构改变不大,含a-螺旋和b-折叠两种结构,但是随着血块的“老化”,纤维蛋白逐渐转变为Prion型的结构,能够结合硫黄素T。这个结构能够被“组织特异性纤维蛋白溶酶原活化物”(tissue-type plasminogen activatortPA)所识别。tPA是一种蛋白酶,在与Prion型的结构结合后被活化,活化的tPA将纤维蛋白溶酶原转变为纤维蛋白酶(plasmin)。纤维蛋白酶就能够降解纤维蛋白,将血块溶化。

      因此,Prion型的蛋白结构本身也是一种信息,可以被生物所识别利用。血液中的组织特异性纤维蛋白溶酶原活化物tPA就是识别这种结构的受体,并且以活化纤维蛋白酶的方式做出反应。

细胞的程序性坏死需要Prion型的结构传递信息

动物身体里面的细胞有两种死亡方式,被动的和主动的。机械伤害,病毒在细胞内的大量繁殖,都会造成细胞被动破裂。细胞的内容物,包括溶酶体的水解酶,被释放到细胞外,引起组织破坏和炎症,叫做细胞坏死(necrosis)。

细胞坏死是细胞最坏的死亡方式,因此生物也发展出了让细胞主动死亡,后果不那么有害的方式,这就是细胞的程序性死亡(apoptosis)。在细胞不再被需要(例如蝌蚪在变青蛙时尾巴的细胞必须消失)、受到病毒侵害,或者已经不可再被修复时,生物主动让细胞死亡,这样不仅可以减少病毒在细胞内繁殖的时间,而且程序性的细胞死亡还可以通过对周围组织无害的方式让细胞死亡,例如将细胞内的DNA切成碎片,蛋白质降解,并且将细胞这样形成的内容物“打包”,形成很多由膜包裹的小囊,被周围的细胞吞食掉。这样就避免了细胞内容物外泄造成的组织伤害。

细胞的程序性死亡主要是由一类蛋白酶叫“胱天酶”(cysteine-aspartic proteasecaspase)的蛋白来执行的。之所以叫胱天酶,是因为这类蛋白酶的催化反应中心含有半胱氨酸残基,而且在其它蛋白肽链中的天冬氨酸残基处将肽链切断,因此和其它蛋白酶不同,是细胞程序性死亡专用的酶。人类有10种以上的胱天酶,在细胞程序性死亡的不同阶段起作用。细胞的程序性死亡涉及极为复杂的信号传递过程,在这里我们只介绍其中的关键步骤。

胱天酶8Caspase8)处于接收细胞外的死亡指令,启动死亡程序的“上游”。例如身体向肿瘤细胞发出死亡信号,即让肿瘤坏死因子(tumor necrosis factorTNF)结合到肿瘤细胞表面的TNF受体上,受体结合TNF后通过一个“死亡分子”(Tumor necrosisfactor receptor type 1-associated DEATH domain proteinTRADD)活化另一个蛋白分子RIP1receptor-interacting protein 1)。RIP1又可以活化胱天酶8,启动细胞死亡的程序。

虽然细胞的程序性死亡是最“理想”的细胞死亡方式,但是在有的情况下这条路走不通,例如病毒抑制了胱天酶的活性。为了绕过胱天酶这条死亡路线,细胞改用在细胞膜上“打洞”的方法让细胞死亡。这时活化的RIP1蛋白和一个与它非常相似的蛋白RIP3结合。由于RIP1RIP3都有蛋白激酶(在其它蛋白分子上加上磷酸根)活性,它们相互使对方磷酸化。这两个分子的磷酸化使得它们形成聚合物。这个聚合物可以被硫黄素T染色,染色后荧光强度增加,发射峰移至485 nm。这个聚合物也结合刚果红,并且将刚果红的吸收峰从470 nm红移到540 nm。这些结果都说明,由RIP1RIP3形成的聚合物具有Prion型的结构。

而这样Prion型的结构就具有传递信号的能力。它能够使蛋白MLKLmixed lineage linasedomain-like)磷酸化,磷酸化的MLKL能够彼此聚合,在细胞膜上形成孔洞,使细胞内容物外泄,造成细胞死亡。细胞的这种死亡方式类似于细胞坏死(例如都让细胞内容物外泄),但又是程序控制的,目的是让细胞快速死亡,因此被称为细胞的“程序性坏死”(necroptosis),而Prion型的蛋白结构在细胞的程序性坏死中起了不可缺少的作用。

椰汁中的杀菌肽也形成Prion型的结构

    椰汁,即椰子(Coco nucifera)果实中的液体部分,含有一种具有杀菌功能的肽链,叫椰汁杀菌肽(cn-AMP2)。这个肽链只含有11个氨基酸残基,这个肽链会聚合,其结构能够结合刚果红和硫黄素T,并且表现出Prion型蛋白结合这两种染料后的光线性质,说明cn-AMP2的聚合物具有Prion型的结构。

检查这条肽链的氨基酸序列,发现其中并不含有酵母Prion功能域中所富含的谷氨酰胺和天冬酰胺,说明其它氨基酸序列也能够形成Prion型的结构。这条肽链的杀菌功能也许和引起老年痴呆症的Ab肽链一样,也是以其低聚物的形态使细胞死亡的。

真菌使用Prion型蛋白HET-s使入侵的真菌细胞死亡

      与动物用prion型的蛋白传递信息,导致细胞程序性死亡类似,真菌也利用了Prion型的蛋白实现细胞的程序性坏死。

      不同株的柄孢霉(Podospora anserina)的菌丝有时可以相互融合,一起生长,有时却彼此不相容,一旦不同株的菌丝彼此融合,就会造成一种菌丝的死亡,叫做“异核体不相容”(heterokaryon incompatibility),其目的是防止同种寄生(一种生物个体寄生在同种的另一个生物个体上),以及防止被另一种个体中所含的病毒所感染。研究发现,造成这种不相容现象的,是一个叫het的基因(het就是异核体不相容英文名称的头三个字母)。两个不相容的柄孢霉所含的het基因有微小差别,生成的蛋白也有一些差别,分别叫做HET-SHET-s

HET-SHET-s都由289个氨基酸残基组成,但是有13个氨基酸残基不同,其中最重要的就是第33位的氨基酸,在HET-S蛋白中是组氨酸,而在HET-s中变成了脯氨酸。这两种蛋白都含有类似的氨基端和羧基端。其中羧基端含有两个由21个氨基酸残基组成的重复序列,能够转变成为横向b-折叠,使分子形成聚合物。这样的结构能够结合刚果红,并且在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象,也结合硫黄素T,证明这样的聚合物具有Prion型的结构。

HET-S蛋白在羧基端变为Prion型结构时,也改变自己的结构,分子移动到细胞膜,在细胞膜上形成孔洞,使细胞内容物外泄,造成细胞死亡。因此在HET-S型的菌株中,HET-S蛋白是不能以Prion型的结构存在的,因为这会造成细胞的死亡。但是在HET-s蛋白中,第33位氨基酸残基的改变使它失去在细胞膜上穿孔的能力,所以即使蛋白变成为Prion型的结构,细胞仍然能够生存。出于这个原因,90%HET-s菌株中,HET-s蛋白都是以Prion型的结构存在的。

HET-S菌株的菌丝与HET-s菌株的菌丝融合时,处于Prion型结构的HET-s蛋白能够使HET-S蛋白的羧基端也变为Prion型的结构。这个改变就使HET-S蛋白获得了在细胞膜上穿孔的能力,使得HET-S的菌丝死亡。

有趣的是,HET-S/s蛋白羧基端中的21残基重复序列和RIP1/3分子中形成Prion型结构的功能域是同源的,即它们含有一些共同的氨基酸序列,因此可能来自共同的祖先。而HET-S的氨基端又和RIP1/3的效应分子MLKL有共同的氨基酸序列,所以这两个能够在膜上穿孔的蛋白功能域也可能有共同的起源。这说明这类Prion蛋白的功能域出现的时间非常早,在真菌和动物这两大类生物分开之前就出现了。不过动物细胞的结构比真菌细胞复杂得多,调控机制也相应复杂得多。在动物中,RIP1/RIP3S是通过MLKL这个效应分子在细胞膜上穿孔的,而羧基端变成Prion型结构的HET-S本身就是效应分子,直接在细胞膜上穿孔。

这两类蛋白的Prion功能域与酵母的Prion的功能域不同,并不富含谷氨酰胺残基,说明它们与酵母的Prion蛋白有不同的来源。

小结

      从本文介绍的内容可以看出,蛋白的肽链要折叠成为适合其功能状态的结构是一个非常精细和脆弱的过程。由于肽链不同折叠形式之间能量障碍非常小,许多微小的因素都能够使肽链从一种折叠状况转变为另一中折叠状况。尽管演化过程已经对肽链中的氨基酸序列进行了“优化”,尽量避免那些会形成Prion结构的氨基酸序列,但是由于基因突变所引起的氨基酸残基的改变是不能完全避免,也是不能预期的,总会有基因突变使得蛋白易于折叠成为Prion型的结构,导致各种淀粉样变性病。尽管生物发展出了各种预防机制来应对蛋白可能的折叠错误,包括发展出伴侣蛋白,以及消灭折叠错误的蛋白的机制,但是这样的机制也不能做到100%有效,而且随着生物年龄增长而会效能降低。因此由蛋白折叠错误而引起的疾病不能被完全避免。

      另一方面,Prion型的蛋白结构由于其稳定性和结构特点,又可以被用来执行一些正常的,甚至是非常重要的生理功能,包括形成功能性结构、储存、记忆、作为模板、以及信息传递等。这些功能已经成为生物生命活动不可缺少的部分,演化过程也不会去消除它们。因此生物面对的,是一种两难的境地,一方面要尽量减少肽链折叠错误所引起的负面后果,另一方面又要保留那些有正面作用的折叠“异常”。不过生物的演化并没有“设计者”,事先规定如何处理每一种折叠异常的情况,只能通过这些折叠变化所引起的后果来淘汰或者保留这些变化,就像我们从这篇文章中所看到的那样。

主要参考文献

ZabelMDReidCA brief history of prions. Pathogens and Disease, 2015, 73(9): ftv087.

Eichner T, Radford SE. A diversity of assembly mechanisms of a generic amyloid fold. Molecular Cell, 2011, 43(1):8-18.

Kyle RA, Amyloidopsis: a convoluted story. British Journal of Haematology, 2001, 114,529-538.

Fowler DM, Koulov AV, Alory-Jost C, Functional Amyloid Formation within Mammalian Tissue. PLoS Biology.2006, 4(1): e6.

Bratkovic IH, Prions, prionoid complexes and amyloids:the bad, the good and something in between. Swiss Medical Weekly, 2017, 147:w14424.

GremerL, SchölzelD, SchenkC,et al, Fibril structure of amyloid-β (1–42) by cryo–electron microscopy. Science, 2017, 3586359):116-119.





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