普里昂（prion）与微生物表型育种

                杨顺楷    四川   成都

自从1997年美国学者Prusiner荣获当年诺贝尔生理学医学奖，他揭示出普里昂（prion）是引发哺乳类（含人）致死性瘋牛病，并具有可跨越种间传播现象以来，引起了生命科学工作者广泛关注。借助这一理论及研究技术手段，已经发现在动物（哺乳类），微生物（细菌，酵母及真菌）和植物发现了普里昂，类普里昂复合物，以及淀粉状蛋白储积症；对其评价划为三挡，即坏，好，以及居中的灰色地带。看来，这是生命科学结构生物学研究到生命工程研究开发的较前沿领域。作为笔者数十年职业道路从事应用与环境微生物学及其生物技术研发人士，自然关心这一领域的开拓与发展，发掘微生物（细菌，酵母及真菌）普里昂研究好的一面，开拓微生物分子表型育种的新局面。

Prion一词是来自英文“传染性蛋白颗粒”的首字母缩写词，近年国内《结构生物学》专著将它音译为普里昂（prion）；国内最早翻译为朊病毒，意思即为蛋白病毒，实质上不是病毒，它不被核酸编码，可以说这就颠覆了传统意义上的“中心法则”，即遗传信息流必须是DNA→RNA→蛋白质方向；但是对于传染性蛋白普里昂，它却是蛋白质→蛋白质，这就表明普里昂是可遗传物质，实质上它仅仅是由蛋白质选择反常构象的蛋白质组成，即普里昂蛋白质分子自身的三维结构从以a螺旋为主变成为以b折叠为主的立体构象变异。

1994年，美国学者从传染性蛋白致病的事实中得到启发，发现了酵母的另一个性状，即在氮源利用上的机制变化，也是由传染性蛋白控制和遗传的，由此开启了酵母传染性蛋白的研究。1996年，美国的另一团队又证明了酵母的相关性状也是通过普里昂蛋白遗传的。酵母的表型菌株用[PSI⁺] 标示，大写字母和加号表示“显性”；正常酵母则用小写字母和负号 [psi^-] 表示，由它精准合成蛋白Sup35，它是水溶性的。两者杂交[PSI⁺]+ [psi^-]结果， Sup35变成为水不溶性蛋白，这一过程就是普里昂蛋白产生，它是在有分子伴侣的参与下完成的。

这一遗传现象不是通过DNA，而是通过酵母细胞的细胞质完成的。起遗传作用的是一个叫做Sup35的蛋白质改变折叠方式，变成了普里昂型的结构。形成的水不溶性聚合物能够结合刚果红，对聚合物的圆二色性（CD）测定表明其中富含b-折叠，说明其结构和普里昂蛋白类似。最后使得酵母细胞中所有的Sup35都转变成为聚合物而失去原有功能，使其酵母细胞不再能够识别转译终止码，其作用和Sup35的基因突变使Sup35蛋白功能丧失的效果是一样的。检查酵母传染性蛋白的氨基酸序列，发现容易形成普里昂型结构的功能结构域含有比较多的谷氨酰胺和天冬酰胺残基。借助此思路，学者们编写了用氨基酸组成预测肽链变为普里昂型结构的程序，用来检测其它生物中的蛋白是否也含有类似的功能结构域。用这个程序，科学家在细菌中也发现了普里昂蛋白。

细菌中发现的传染性普里昂蛋白，说明普里昂型功能结构域分子进化出现的时间非常之早，在原核-真核生物分开进化之前就发生了。说明普里昂蛋白折叠方式引起构象的变化，进而形成聚合物导致丧失功能，这或许是微生物适应严酷环境的生存方式。正如酵母细胞Sup35蛋白被转变成为普里昂型，原有的转录-转译功能消失，导致形成长度更长的mRNA和肽链，这就可能造成mRNA的稳定性和蛋白质功能的改变；或许这对生物的存在有利，因为它不需要基因发生突变，而又能传递给后代，得以保存对微生物有利的机制。这种方式有别于经由DNA的基因遗传，属于细胞质中的蛋白质遗传。所以，就两个方面而言，即从这些蛋白的传染性（复制自己结构）和遗传性（借助普里昂蛋白聚合物形式传给后代），都说明了蛋白质中的信息是可以被输出的，这就显然与传统的分子生物学“中心法则”遗传信息流向是不相符合的。

细胞质遗传现象是一个长久争论不休的学术问题。自从酵母细胞的普里昂（prion）研究成果出现以后，结合表观遗传学研究进展，自然提出了如标题所示的课题研究，即普里昂（prion）与微生物表型育种。探讨其两者之间的关系，对于应用微生物学及其生物制造（生物转化）的遗传育种具有重要价值。