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亂中有序的蛋白質
蛋白質是生命的原料﹑它們是細胞的眼﹑手和腳﹑即便DNA常被視為生物分子的代表﹑它們最重要的地方也是因為帶有指定了蛋白質組成的基因。我們有神經元﹑白血球﹑嗅覺感應器等不同細胞﹑主要也是因為它們活化了不同的基因﹑產生不同的蛋白質組合。蛋白質如此重要﹑你可能以為生物學家應該早對它們的外觀和運作機制有基本認識﹑然而幾十年來﹑科學家的理解卻不完整。他們知道蛋白質是由一個個胺基酸像串珠般連接而成﹑但他們也相信蛋白質要具有正常功能﹑胺基酸鏈必須先準確折疊成固定的形狀。不過現在發現﹑有許多蛋白質在執行生物功能時﹑完全沒有折疊﹑也有些蛋白質僅在需要時折疊。事實上﹑有多達1/3的人類蛋白質並沒有穩定構形﹑至少有部份區域未折疊或無秩序。
沒錯﹑生物學家知道複製DNA或將DNA轉錄為RNA的酵素﹑是由許多可移動組件所構成的複雜奈米機具﹑不同部位會順著接點轉動。然而他們仍把這些蛋白質想像成折疊椅一般﹑由許多硬梆梆的零件組成﹑至於那些無穩定構形的蛋白質﹑看起就像在熱水中翻滾的半熟義大利麵。
現在科學家意識到﹑蛋白質靈活而沒有固定形狀的特性﹑可能有助地球生命的出現﹑而且繼續在細胞內扮演重要角色(例如細胞分裂和基因活化時)﹑這個驚人的新見解在15年前可能會被斥為離經叛道﹑如今卻讓我們更了解細胞的基礎生物學。令人振奮的是﹑它還指出了一條治療癌症等疾病的新路徑。
「蛋白質固定的三維構造決定了它的功能」這個概念在1894年出現。當時德國柏林大學化學家費雪(Emil Fischer)首先提出﹑催化生化反應的酵素與其他分子交互作用時﹑它們是依據表面的特定形狀進行結合﹔酵素對表面特徵有差異(不管多細微)的分子則會視而不見。換句話說﹑酵素和它結合的對象就像鑰匙和鎖一般契合。
當費雪提出這個模型時﹑對蛋白質的特性都還摸不清楚。接下來60多年﹑生物學家得知蛋白質是胺基酸鏈﹑並認定它們會折疊出特定的形狀以執行正常功能。1931年﹑中國化學家吳憲指出蛋白質變性(失去自然的三維結構)會讓蛋白質喪失所有功能﹑強烈支持了這個觀點。1958年﹑科學家確認了抹香鯨肌紅素的三維構造﹑如今研究人員已定出五萬多種蛋白質的構造﹑方法通常是讓蛋白質形成堅硬的結晶﹑再以X光繞射晶體。
不過蛋白質世界並非一成不變地遵循結構分明的鑰與鎖的規則。1900年代初﹑科學家就知道許多抗體可以和多種目標(抗原)結合﹑不符合鑰與鎖模型。1940年代﹑美國偉大的化學家鮑林(Linus Pauling)推測某些抗體可能有多種折疊方式﹑會依抗體和抗原的吻合度而調整。
大約從1940年代起﹑有多個觀察結果顯示﹑有些蛋白質並不遵守死板的三維構造法則﹑但它們通常被視為奇怪的特例。本文作者之一當克是最早收集這些例子﹑並指出法則需要修正的研究者之一。舉例來說﹑1953年科學家注意到牛奶的酪蛋白缺乏結構﹑這種柔軟度可能有利幼小的哺乳動物消化﹔1970年代﹑科學家發現纖維素原蛋白(fibronogen)有大塊區域沒有固定結構﹑這個區域和後來找到的其他較小的類似區域對血液凝固很重要。1970年代末﹑構成煙草鑲嵌病毒核殼(病毒外套)的蛋白質提供了另一個清楚的例子﹕當病毒核殼空著時﹑核殼蛋白有大片無結構的區域垂在空腔內。當病毒在受感染細胞中複製時﹑這種鬆散的狀態能讓剛複製的RNA裝入核殼﹔RNA一旦裝入﹑核殼蛋白就會與RNA結合﹑形成固定的形狀。
在這期間﹑實驗人員面對無法誘導蛋白質於試管內折疊的情況時﹑會認為一定有哪裡出錯。他們相信那些胺基酸鏈在細胞環境下將可以找到「正確」的折疊形狀。當研究人員將裝著分離蛋白質的小瓶子放在核磁共振(NMR)光譜儀(研究蛋白質的基本工具)測量時﹑若得到不明確的數據﹑他們會解釋成蛋白質沒有折疊好。
這些模糊的數據其實隱藏了豐富的故事。NMR光譜儀是用強大的無線電頻率脈衝來誘導特定元素(例如氫)的原子核同步旋轉。那些原子核的些微頻率差異﹑與原子核在胺基酸內的位置及胺基酸之間的相對位置有密切關聯﹑研究人員通常可從頻率的改變推測出有固定結構蛋白質的樣貌。但如果蛋白質沒有折疊﹑上面的胺基酸動來動去﹑頻率變化就會模糊不清。
1996年﹑本文作者之一克瑞瓦奇用NMR來測量控制細胞分裂的p21蛋白質時﹑注意到一些驚人的現象。根據NMR數據﹑p21幾乎完全沒有結構秩序可言。胺基酸可以在連接彼此的化學鍵上自由轉動﹑從沒在特定構形上停止片刻。令人吃驚的是﹑這樣的p21仍能執行重要的調節功能。這是第一個有力的證據﹑顯示缺乏結構未必會讓一個蛋白質無用。NMR仍是判定蛋白質折疊或結構秩序的主要工具﹑輔以其他技術﹑科學家現在證實許多蛋白質天生就結構紊亂﹑在布朗運動和本身的熱運動下﹑分子經常變換形狀﹑但仍能正常運作。
大多數脊椎動物都具有的p27蛋白質﹑是展現這個廣闊新觀點的最佳範例。p27和p21一樣﹑是調節細胞分裂﹑讓細胞分裂不會失控的重要蛋白質。NMR顯示﹑p27非常多變﹑有些區域可迅速折疊出螺旋狀或片狀構造﹑然後又快速解開。在大多數的人類癌細胞內﹑p27的量都減少了﹔p27越少﹑病患存活率越低。
P27分子就像細胞分裂的煞車﹑至少能與六種不同的激酶(kinase)結合並抑制它們的活性。激酶是DNA複製和細胞分裂過程的主要調節者﹑會幫其他分子加上磷酸根﹑進而啟動一連串反應。p27分子柔軟呈長條狀﹑會纏繞激酶﹑覆蓋住大片區域﹑包括執行酵素化學活性的反應區﹑如此便妨礙了磷酸化﹑阻斷細胞分裂。由於p27構造靈活多變﹑可以纏繞並抑制不同類型的酵素﹑科學家常用「隨意不拘」或「身兼多職」來描述這類蛋白質的能力。
從毫無秩序﹑缺乏結構﹑到充滿秩序﹑固定折疊﹑在蛋白質結構秩序表中﹑p27幾乎落在完全缺乏結構的那一端﹑激酶則位於另一端。許多蛋白質介於中間﹑在有些區域形成特定形狀﹑部份區域結構鬆弛。例如參與了免疫反應的鈣調磷酸酶(calcineurin)﹑是抗排斥藥物的作用目標﹑功能剛好和激酶背道而馳﹑它會移除某些磷酸化蛋白質的磷酸根。它的反應中心位於結構區內﹑呈現標準的鑰與鎖模式﹑但它也帶有無結構區﹑會在細胞不需要去磷酸反應時﹑與反應區結合﹑抑制自己的活性﹑因此鈣調磷酸酶是集兩種蛋白質於一身﹕結構區執行催化反應﹑無結構區調節催化功能。
上述例子都是在執行功能時會折疊的蛋白質﹑不管是自己本身折疊或繞著其他蛋白質折疊﹑無秩序有時候是蛋白質的一種運作本事﹑在目前已知的一個例子中﹑蛋白質無結構區的長度可做為計時器﹑控制兩個結合區接近的速度﹑如果無結構區較長﹑兩個結合區會花較久的時間找尋對方﹔還有一種蛋白質會靠著沒有結構的特性﹑穿梭細胞膜上狹窄的孔洞而進出細胞。神經細胞的軸突上也有無結構蛋白質﹑它們會形成毛刷狀﹑防止軸突塌陷。
讓人意外的是﹑有些蛋白質即使在結合後仍維持無結構狀態。不久前任職於加拿大多倫多兒童醫院的米塔格(Tanja Mittag﹑現在為作者克瑞瓦奇同部門的研究人員)﹑在酵母菌中發現了抑制性蛋白質Sic1﹑Sic1會有數個小區域不斷黏附結合對象上的結合區然後又脫離﹑而Sic1其餘部位則維持無結構狀態。
無結構蛋白質也存在於較簡單的生物﹑甚至病毒也有。有些專門感染細菌的噬菌體得以吸附在宿主的細胞膜上﹑就是透過可彎曲活動的吸附蛋白來連接噬菌體本體和細胞膜。吸附蛋白比整個噬菌體小﹑且能快速移動﹑因此可以隨時調整﹑找到與細菌的最佳結合位置。
全世界的研究人員已找到大約600種蛋白質完全沒有結構或帶有部份無結構區域﹑也了解它們的功能﹑但我們懷疑還有更多這樣的蛋白質。畢竟人體內估計有10萬種蛋白質﹑科學家目前只了解了一小部份﹑而當克和合作者進行的生物資訊學研究也支持相同看法。
生物資訊學是以早期個別蛋白質的理論研究為基礎。這些研究指出﹑在細胞合成胺基酸長鏈後﹑組成的胺基酸決定了蛋白質的折疊方式。體積大﹑疏水性的胺基酸最後會傾向置於蛋白質內部﹔相對的﹑體積小且親水性的胺基酸在折疊後會位於表面。
當克的想法﹑是比較無構形蛋白質和具有固定折疊形狀蛋白質的胺基酸序列。1997年﹑當克利用電腦演算程式發現﹑天生無結構的蛋白質傾向含有較多親水性胺基酸﹑因此我們可以從疏水性和親水性胺基酸的比例﹑來預測一個蛋白質會有部份會折疊﹑或是完全不折疊。
為了探索這些發現的生物意涵﹑當克在2000年時比對了多種生物的蛋白質。研究人員利用演算法檢查基因組裡含長串親水性胺基酸編碼的DNA﹑它們對應的蛋白質最有可能具有無結構區。細菌和太古生物(archaea)等最簡單生物似乎較少無秩序蛋白質﹑但在酵母菌﹑果蠅和人類等較複雜的真核生物(細胞具有細胞核)﹑無結構蛋白質似乎普遍多了。
2004年﹑英國倫敦大學學院的瓊斯(David T. Jones)利用類似的方法比對了人類的基因組﹑發現多達35%的人類蛋白質可能帶有相當長的無結構區﹑因此有1/3的人類蛋白質有大片區域是不符合鑰與鎖模型的。
我們不清楚造成這種差別的原因﹑可能的解釋是﹑鑰與鎖結構特性最適合像酵素活性之類的功能﹑而無構形蛋白質有利於信號傳遞和調控。簡單的細菌把所有東西都裝在一起﹑複雜的生物則有細胞核﹑高基氏體﹑粒線體等胞器﹑因此細胞各部位之間需要較多信號傳遞和更複雜的調節﹑多細胞生物還需要傳信機制來協調不同細胞和組織。以p27為例﹑靠著蛋白質的靈活﹑才能讓化學信號順著傳導路徑傳遞﹕信號密碼就藏在蛋白質的構形﹑化學修飾(像是磷酸化)和結合的對象(從而抑制或調節它們)。
細菌帶的無結構蛋白質很少﹑看起來這類蛋白質好像是較晚演化出來的﹑然而多項研究顯示它們很早就出現了。就拿細菌來說﹑許多重要的傳信系統採用無結構蛋白質。此外﹑在演化上很古老﹑由RNA和蛋白質組成的一些分子機具﹑其中的蛋白質在與RNA結合之前﹑大多有無結構區域﹑或是整個蛋白質都沒有固定的結構﹑這些古老的複合分子機具包括了在蛋白質製造過程中負責剪接RNA的剪接體﹑或將胺基酸串連成蛋白質的核糖體。
生命起源的研究也透露出無結構蛋白質的悠久歷史。有一個重要的假說認為﹑最早的生物是以RNA為基礎﹑RNA既可催化反應﹑又可儲存遺傳資訊。在現代細胞中﹑這兩個角色分別由蛋白質和DNA擔任。然而RNA世界的最大問題是﹑RNA常卡在沒有活性的構形﹑難以有效轉變成具催化活性構形。現代細胞裡會有RNA「伴護蛋白」幫助RNA正確折疊﹑還有其他蛋白質穩定RNA的活性構形﹑伴護蛋白和穩定蛋白很可能是為了解決RNA折疊難題而演化出來的﹑它們在未與RNA結合前也都沒有穩定的結構。
分析遺傳密碼起源﹑提供了更多支持無結構蛋白質早期演化的證據。遺傳密碼是細胞將儲存在核酸(DNA或RNA)中的資訊轉譯為胺基酸序列的一套規則﹑研究人員相信有些胺基酸是在生命演化初期即已使用﹑有些胺基酸較晚才用到。驅動蛋白質折疊的大體積﹑疏水性胺基酸可能是較晚才用的胺基酸。如果沒有變化的話﹑那些由早期胺基酸構成的蛋白質很可能還維持未折疊狀態。如果這個遺傳密碼演化的觀點正確﹑最早出現在地球上的蛋白質應該會折疊不佳或完全沒有折疊﹑後來加入的胺基酸顯然有助於蛋白質結構的形成﹑提供了酵素反應區鑰與鎖模型的基礎﹑並讓蛋白質能在百萬年的演化過程中﹑取代RNA﹑成為現代所有細胞的催化動力。
由於蛋白質在生物中的重要性﹑許多蛋白質與疾病有關並不奇怪﹔而接納蛋白質天生無秩序的新模型﹑肯定會對人類疾病的了解和治療產生深遠影響。
首先﹑有些蛋白質若缺乏結構的話﹑會造成危害﹕當細胞製造過量無結構的特定蛋白質時﹑這些蛋白質可能會凝集成斑塊。科學家懷疑﹑像阿茲海默症﹑帕金森氏症和杭丁頓氏症等神經退化疾病﹑罪魁禍首可能就是大腦內的斑塊。為了避免出問題﹑細胞似乎需要嚴密監控無結構蛋白質。2008年﹑英國劍橋醫學研究委員會分子生物實驗室的巴布(M. Madan Babu)在一個涵蓋酵母菌﹑小鼠和人類的大規模研究中發現﹑和折疊蛋白質比較起來﹑細胞會更嚴密地調節無結構蛋白質。
了解無結構蛋白質可能和某些疾病有關﹑也讓科學家對治療有了新的想法。幾乎所有生物運作都需透過蛋白質之間的交互作用﹑因此蛋白質長久以來就是新藥研發的目標﹑不過目前並沒有什麼成功的例子﹑成效不若以較小分子影響酵素交互作用的方法。當其他蛋白質與無結構蛋白質作用時﹑大多是提供它們固定用的支點﹑或許研究人員可找尋讓新藥插入支點的辦法。特別是可阻斷重要癌症抑制基因和它調節夥伴間交互作用的分子﹑動物試驗顯示這個方法能成功對抗癌症﹑而人類臨床試驗也正在進行。克瑞瓦奇和同事正研發類似攻擊方法的新藥﹑來治療視網膜胚細胞瘤﹑這是一種好發於兒童眼睛的癌症。初期動物測試結果很樂觀﹑而其他實驗室也正進行類似的計畫。
科學家對蛋白質運作機制的興趣﹑使得蛋白質功能鑰與鎖模型這種偏見不再穩固。他們認識到有些生物運作﹑最適合由結構固定的蛋白質來執行﹑有些則需要靈活多變的蛋白質。蛋白質結構功能新紀元的來臨﹑很可能會改變我們對生命的認識﹑或許還能挽救生命。
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A. Keith Dunker and Richard W. Kriwacki
Scientific American (April 2011), 304, 68-73
本文兩個作者做的都是無序結構的研究, 他們當然強調其作用, 但是生物分子的作用在於其結構, 沒有結構便沒有功能.
作者所舉的例子, 都只是說明蛋白質的結構有無序的一部分, 並不是完全固定的, 這本來便是已知的，沒有所謂傳統觀點與否．蛋白質的變構效應，蛋白相互反應過程中的probing，當然不能少了無序結構．
何況，作者提到的研究都是根據單一蛋白的序列去推測的，本文更是有意無意的忽略了蛋白的動態－－蛋白的結構和環境有關，例如actin單體的未端是無序的，但是在細胞中actin 聚合形成microfilaments，或者和profilin結合，結構便不一樣了．...<div class='locked'><em>瀏覽完整內容，請先 <a href='member.php?mod=register'>註冊</a> 或 <a href='javascript:;' onclick="lsSubmit()">登入會員</a></em></div>
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