摘要 許多不相關的蛋白質含有相同的短肽序列卻形成不同的空間構象. 結構轉換廣泛存在于蛋白質折疊和功能過程中, 具有重要的生物學意義. 綜述了Serpin和EF-Tu的失活、血細胞凝集素的激活、蛋白酶成熟、亞基裝配和蛋白質淀粉樣化等過程中肽鏈同源肽段的結構轉換模式, 并討論了它在理解蛋白質折疊機理和“構象病”病因中的應用.
關鍵詞 蛋白質折疊, 結構轉換, α/β轉換, 淀粉樣化
蛋白質的空間結構是體現生物功能的基礎, 蛋白質折疊則是形成空間結構的過程. 早在70年代, Anfinsen［1］就提出了蛋白質一級結構決定其高級結構的著名學說, 認為蛋白質折疊是受熱力學因素控制的. 天然蛋白質處于能量最低(即熱力學最穩定)的狀態. 一般來說, 天然蛋白質的結構是相對穩定的, 結構的穩定性也是其保持生物個體功能和物種的相對穩定所要求的.
蛋白質擔負著復雜的生化反應, 同時在生物合成以后, 蛋白質本身也經歷著繁雜的生理過程. 蛋白質自翻譯以后, 還需進行一系列的翻譯后過程, 包括跨膜轉運、修飾加工、折疊復性、生化反應、生物降解等. 這些過程似乎都伴隨著蛋白質的結構轉換, 不但受蛋白質肽鏈自身的熱力學穩定性所控制, 而且還受動力學過程控制. 這不僅是蛋白質拓撲學因素的需要, 而且也是某些蛋白質生理功能調節所必需的. 近年來, 由于某些蛋白質結構轉換和錯誤折疊所引起的“構象病”的發現, 成了刺激蛋白質構象轉換與生物功能關系研究熱潮的一個重要原因. 這里的結構轉換(structural transformation or structural switch)與通常意義的結構變化(structural change)或構象變化(conformational change)不同. 前者指較大程度的結構變化, 往往導致三級結構和二級結構的轉變; 后者則僅僅為蛋白質空間結構的擾動或柔性. 本文將從幾個方面簡述蛋白質結構轉換的研究背景和發展前沿.
1 同源肽段的結構轉換
許多實驗表明, 蛋白質多肽片段(fragment)在水溶液中具有與原同源肽段(segment)不一定相同的二級結構［2］; 同一片段在不同的溶劑環境中能進行二級結構的構象轉變［3］; 甚至同一肽段在不同的蛋白質中的二級結構也不一樣［4］. 天花粉蛋白的α螺旋同源片段在水溶液中則形成β折疊結構, 可在六氟異丙醇中則轉變為典型的α螺旋結構［5,6］.Minor和Kim［7］曾設計一個稱為“變色龍”肽段(chameleon), 分別插入蛋白質G的IgG結合結構域的不同二級結構區域中, 結果此肽段形成兩種不同類型的二級結構. 插入原α螺旋區域的肽段形成α螺旋結構, 而插入原β折疊區域的同樣肽段則形成β折疊結構. 同樣地, Gasset等［8］發現與傳染粒子蛋白(prion)的α螺旋同源多肽片段形成β折疊結構的現象. 另一有趣的研究進展是有關蛋白質煉丹術(protein alchemy)問題, Dalal等［9］通過分子設計置換一半以下的氨基酸殘基, 可將一個β折疊為主的蛋白質成功地轉換成為全α螺旋折疊類型的蛋白質. 蛋白質中肽鏈序列雖然有一定的構象形成勢, 但不是絕對的. 有時隨著環境因素的變化而進行結構的轉換. 很可能這是蛋白質為了適應生物功能調節和進化的要求所必需的生理轉化.
2 二級結構的轉換
絲氨酸蛋白酶抑制劑(serpin)家族是研究蛋白質結構轉換的典型范例. 體內新合成的或體外再折疊復性的纖溶酶原激活物抑制劑(plasminogen activator inhibitor)具有蛋白酶抑制劑的活力(active-form, A型), A型抑制劑的活性部位是一段Loop區域, 此結構可直接插入靶蛋白酶的活性中心形成復合物從而抑制蛋白酶的活性. 有意思的是A型抑制劑能夠慢慢轉化成無活性的潛伏型(latent-form, L型)抑制劑, 其Loop區肽鏈轉換為β折疊鏈加入抑制劑蛋白的β折疊片層中. 因此, 抑制劑活性部位有關的殘基被包埋導致活力喪失［10］. 另一些抑制劑, 如α1-antitrypsin, 其Loop區先被蛋白酶解再向β折疊鏈的構象轉變成無活力的裂解型(cleaved-form, C型)［11］. L型抑制劑可以通過變性和復性方法轉變成A型, 然后又慢慢變成L型. 流感病毒血細胞凝集素(influenza hemagglutinin, HA)在pH誘導下的結構變化與細胞膜融合功能緊密相關的. HA在pH 7.0時, 其空間結構是由helix-loop-helix的頭狀單體結構域組成的三聚體蛋白(HA-N); 可在低pH(pH＜5)條件下, 中間Loop區域轉化為螺旋結構并與另兩段螺旋連接共同形成一股長螺旋, 三條長螺旋再繞成三股螺旋束, 稱為成融態(fusogenic state, HA-L)［12］. HA-L可介導病毒和宿主細胞的膜融合. 另一例子是蛋白質生物合成過程中的延長因子EF-Tu, 其中的開關區域(switch region)的六個殘基肽鏈ProGluGluLysAlaArg也存在α和β的構象轉換［13］. 當EF-Tu與GTP結合成為有活性的GTP型時, 這六肽序列形成α螺旋結構; 而它與GDP結合時形成無活性的GDP型, 此序列則轉換為β折疊結構. 從上述例子可以看出, 這種Loop/α、Loop/β或α/β間的二級結構轉換構成蛋白質活性調節的開關.
3 前體肽輔助蛋白質折疊
一些蛋白酶, 如subtilisin, α-lytic protease和papain等, 新合成的蛋白質產物含有一段前體肽. 前體蛋白能夠自發地折疊成正確的三維空間結構. 然后通過蛋白酶的自身酶解切除前體肽, 得到有蛋白酶水解活性的成熟蛋白酶. 雖然成熟蛋白是相當穩定的, 但若通過體外變性, 卻不能重新折疊成有生物活性的功能蛋白. 可是, 如果在復性過程中加入前體肽, 則又能再折疊成有活性的蛋白酶分子［14］. 顯然, 前體肽對于成熟蛋白的再折疊和復性是至關重要的. 一個有趣的問題是生物為什么選擇蛋白酶前體, 僅僅是為了保證成熟蛋白的正確折疊? 一種解釋是生物體存在著自身調節的因素. 為了協調蛋白質合成和蛋白質降解的矛盾, 選擇失去再折疊能力的成熟蛋白酶, 以保證生物體對于蛋白酶活力的控制. 前面提到的Serpin抑制劑的A型和L型或C型的相互轉化可能也是這種適應活性調節的類型.
4 螢光素酶的亞基轉換
大腸桿菌螢光素酶(luciferase)是由α和β兩亞基組成的異二聚體蛋白(αβ). 當β亞基單獨存在時能形成非常穩定的同二聚體(β2). 如果在β2二聚體和α亞基同時存在時, 它們不能重組成有活性的αβ異二聚體. 可是, 在β亞基的再折疊過程中加入α亞基, 則能形成有活性的αβ異二聚體［15］. 此實驗說明, 在熱力學能量上β2比αβ穩定, 而形成αβ的速率大于β2, 有活性的αβ異二聚體的形成是由動力學因素控制的. 究竟這種四級結構的相互轉變的生物學意義還不清楚.
5 蛋白質淀粉樣化
已有很多事實證明, 基因工程產物包涵體的形成和蛋白質淀粉樣化(amyloidosis)所引起的疾病都與蛋白質積聚有關［16］. 蛋白質積聚往往由蛋白質的錯誤折疊所引起的, 而蛋白質構象元件的結構轉換是導致蛋白質錯誤折疊的主要原因. 典型的例子是與瘋牛癥病因直接相關的prion蛋白的積聚. 正常細胞中PrPc的一段序列是α螺旋結構［17］, 若此α螺旋發生結構轉換成β折疊, 則變成為積聚型的PrPsc, PrPsc蛋白引起病狀并有傳染性［18］. 如果在PrPsc蛋白中加入六氟異丙醇, 則β折疊重新轉化為α螺旋, 同時積聚溶解并喪失傳染性［19］. 溶菌酶的氨基酸殘基突變與人類某些淀粉樣化疾病有關. Asp67His突變體的熱穩定性下降且易形成纖維狀積聚體, 其中α螺旋結構明顯減少, 整個積聚體主要由β折疊結構所構成［20］. 另外, βAPP蛋白(β amyloid precursor protein)的剪切和結構轉換為β淀粉樣肽(β amyloid), 并以多肽鏈間的β折疊形成纖維狀沉積物［21］. 這種由于結構轉換引起的淀粉樣蛋白沉積與老年癡呆癥的發生有關. 其他容易形成淀粉樣化并引起疾病的蛋白質還有transthyretin, crystallin等［16,,22,23］. 很顯然, 蛋白質的淀粉樣化是許多“構象病”的直接原因.
6 問題和展望
一般來說, 蛋白質的一級結構決定高級結構, 給定的一級序列就能自發地折疊成特定空間結構和生物功能的蛋白質分子. 這已有大量實驗事實證明. 然而, 上述幾個例子表明并不是所有蛋白質的天然活性狀態一定是熱力學上的最穩定態; 動力學因素對折疊途徑和亞穩態的形成有一定程度的影響［24］. 在某些特別蛋白質(如上所述)的折疊和功能過程中, 動力學因素的作用相當重要. 假如某個蛋白質折疊成天然態的活化能較大, 折疊反應受動力學因素控制, 先達到結構亞穩態; 接著才受熱力學因素的影響, 蛋白質慢慢轉化為能量最低狀態.
從上述例子中看, 具有β折疊結構的蛋白質容易形成積聚, 而纖維狀的蛋白質積聚體中往往含有大量的β結構存在. 蛋白質由于突變或其他因素引起α螺旋向β折疊的轉換或許是比較普遍的結構轉換模式, 具有較廣泛的生物學意義. 這方面還有許多例子有待進一步發現. 考察α螺旋和β折疊的結構特征, 發現β折疊往往含較多的非極性殘基, 并埋在蛋白質內部形成疏水核心; 而α螺旋通常是兩性的, 親水面位于表面, 疏水一側朝向蛋白質內部. α/β的結構轉換導致疏水核的暴露和親水面的減少, 容易引起蛋白質分子間形成交叉β折疊結構(cross-β-sheet)這可能是引起prion等蛋白質分子間積聚的主要原因. 那么, 從熱力學或動力學觀點看, 究竟是什么內在因素引起這種α螺旋向β折疊的轉換. 這或許是今后認識蛋白質結構轉換和分子積聚本質的基礎.
總之, 蛋白質的結構轉換與蛋白質功能和蛋白質積聚問題已開始受到人們的關注. 對下列幾個疑難問題的認識, 將會對生命科學的發展產生重大影響.a.蛋白質折疊是受熱力學還是動力學控制;b.結構轉換的生物學意義;c.α/β轉換有多大的普遍性, 其誘發因素是什么;d.蛋白質在什么條件下會形成積聚(淀粉樣化), 它與人類疾病的關系;e.為什么prion蛋白有傳染性, 它跟DNA遺傳和傳染有無關系.f.基因變異所產生的疾病有多少是與蛋白質折疊有關.
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本文原刊登在《生物化學與生物物理進展》1999年第1期
