楊春蕾
【摘 要】 生物科學家一直想揭開遺傳物質(zhì)的奧秘,而對基因的探索離不開對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的詳細解讀,蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者,而其在合成、分選和轉(zhuǎn)運的過程中,信號肽起著十分重要的作用。本文就信號肽的結(jié)構(gòu)和功能,蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運類型與途徑等方面進行詳細分析,闡述了信號肽對蛋白質(zhì)的定位重要作用,探究信號肽的研究在生物蛋白質(zhì)、醫(yī)療、制藥等方面的應用情況,以及對信號肽研究的未來展望。
【關(guān)鍵詞】 信號肽 蛋白質(zhì) 分選轉(zhuǎn)運 實際應用
1 信號肽與蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運
1.1 信號肽的結(jié)構(gòu)與功能
信號肽引導并定位蛋白質(zhì)新生肽鏈,類似于一段具有特定的“條形碼”,位于蛋白質(zhì)的N端氨基酸序列,一般由20左右個氨基酸殘基組成,包括疏水核心區(qū)、信號肽的C端和N端三部分。信號肽可以引導翻譯的核糖體及多肽鏈附著到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜,經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的信號蛋白酶剪切清除后,肽鏈繼續(xù)延伸。
1.2 蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運
蛋白質(zhì)根據(jù)自身特定的信號序列,從一開始的合成部位,經(jīng)過組裝,到形成成結(jié)構(gòu)與功能的復合體,各就各位地參與各項生命活動,這一過程稱為蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運或蛋白質(zhì)分選。
1.3 蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運類型與途徑
蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運分為門控運輸、跨膜運輸和膜泡運輸?shù)?,但都涉及到信號肽的介導和靶細胞器上受體蛋白的識別。按照蛋白質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運同步與否,其分選途徑可分為兩大類:共翻譯轉(zhuǎn)運機制,即蛋白質(zhì)在游離核糖體上開始合成,后由信號肽引導轉(zhuǎn)移到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中,新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,運至再經(jīng)高爾基體加工包裝轉(zhuǎn)運至溶酶體、細胞質(zhì)膜或細胞外;后翻譯轉(zhuǎn)運機制,即在游離核糖體上合成多肽鏈后,再轉(zhuǎn)運至膜圍繞的細胞器,如線粒體、葉綠體、細胞核等,或稱為可溶性蛋白。
2 信號肽在蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運中的作用
2.1 信號肽對分泌蛋白的作用
分泌蛋白在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的合成由蛋白質(zhì)N端的信號肽、信號識別顆粒、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上信號識別顆粒的受體和轉(zhuǎn)運體等因子共同協(xié)助完成。
以共翻譯轉(zhuǎn)運機制為例,分泌蛋白在合成過程中,首先在細胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上合成N末端的信號肽,后其暴露出核糖體并與信號識別顆粒結(jié)合,導致肽鏈延伸暫時停止,防止新生肽N端損傷和成熟前折疊,直至信號識別顆粒與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識別結(jié)合。新生肽與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的移位子結(jié)合,信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體,返回細胞質(zhì)基質(zhì)中重復使用,肽鏈又開始延伸。信號肽穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜并引導肽鏈 經(jīng)由膜蛋白質(zhì)構(gòu)成的孔道到達內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi),而位于腔表面的信號肽則被信號肽酶水解,肽鏈合成后,核糖體從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上解離。在整個過程中,信號肽起到了很關(guān)鍵的指導作用。
2.2 信號肽對穿膜蛋白的作用
以單次跨膜為例,這類肽鏈除N-端有一段起始轉(zhuǎn)移信號肽序列外,在肽鏈內(nèi)部還有一段停止轉(zhuǎn)移序列。在信號肽引導肽鏈的轉(zhuǎn)移過程中,當停止轉(zhuǎn)移序列進入轉(zhuǎn)運體并與之相互作用時,肽鏈轉(zhuǎn)移終止。N-端信號肽釋放,停止轉(zhuǎn)移序列形成跨膜結(jié)構(gòu),使得肽鏈的C-端滯留于胞質(zhì)一側(cè)。
此外,還有些蛋白質(zhì)的信號肽位于肽鏈中部,被稱為內(nèi)信號肽。隨著肽鏈延伸,當內(nèi)信號肽序列到達轉(zhuǎn)運體時,也會被保留在類脂雙分子層中,形成跨膜結(jié)構(gòu)。可見,穿膜蛋白的形成也是離不開信號肽的。
3 信號肽研究的應用實例
3.1 蛋白亞細胞定位的研究
在生物領(lǐng)域的《Nature Methods》一書中,整理出的2016年最值得關(guān)注的幾項技術(shù)中,有蛋白定位亞細胞圖譜,即標記細胞某些區(qū)域中的蛋白質(zhì),確定該區(qū)域中所有蛋白質(zhì)。目前,有很多人都對蛋白亞細胞定位的研究做著嘗試和突破,如Life Technologies生物技術(shù)公司就利用了信號肽的功能。其將熒光標記蛋白的基因插入某一特定基因內(nèi),同時,用PCR的方法把信號肽序列擴增,融合到目的基因的N端,通過信號肽的參與,能將表達的熒光蛋白引導定位到亞細胞器中,如核、質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和過氧化物酶體等等,此時這些結(jié)構(gòu)融合了熒光蛋白后會發(fā)出熒光,用顯微鏡、熒光針、熒光激活細胞分選儀等都可以看見。這種將信號肽與表達載體結(jié)合的方式,可準確且特異地定位到亞細胞區(qū)室和結(jié)構(gòu),使得對細胞內(nèi)部的研究又更深一步。
3.2 在外源基因表達中的重要作用
枯草芽孢桿菌能夠分泌胞外蛋白,為此人們可以通過枯草芽孢桿菌來研究蛋白質(zhì)表達和分泌,進而可以了解外源基因表達和分泌的過程??茖W家研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌的信號肽的疏水區(qū)部分影響蛋白質(zhì)的分泌,疏水區(qū)過長或過短對蛋白質(zhì)的分泌有不利。通過對信號肽研究得出,在研究外源基因表達時,信號肽在很大程度上影響外源基因表達。不同種信號肽對同一種蛋白的引導效率是不同的,同樣,在不同的表達系統(tǒng)中信號肽的分泌效率也不相同,可以明顯地影響表達分泌水平。所以,選擇信號序列時要選用有高促進作用效果的,同時也可能需要對已有的信號肽調(diào)節(jié)和改造,以達到最佳效果,使該蛋白可以高效地在系統(tǒng)中表達,同時不斷組合和優(yōu)化,使更多種的蛋白可以表達。例如在應用到實際的蛋白藥物生產(chǎn)過程中,要根據(jù)不同的目的基因和載體,選擇不同的信號肽,以生產(chǎn)出高產(chǎn)高質(zhì)的藥物蛋白。
4 對信號肽研究的未來展望
信號肽研究不僅具有深刻的理論依據(jù),還具有廣闊的應用前景,特別是在生物制藥、蛋白質(zhì)生產(chǎn)、細胞工程等行業(yè)。在進一步闡釋信號肽運行機制的基礎(chǔ)上,可以利用已知或潛在的信號肽進行定向的生物蛋白改造,使目的蛋白定位到指定的部位并發(fā)揮相應功能。另外,隨著對信號肽本質(zhì)的充分認識,將有可能尋找到更多的外源蛋白分泌途徑的信號序列,這將為人類解釋疾病發(fā)病過程、定向特異靶點的信號研究開辟一個嶄新的天地,成為基因治療疾病研究中的一個強有力的入手點。
總結(jié)
人們在探究生物活動規(guī)律和生命現(xiàn)象的科學道路上不斷前行,對分子生物探索已經(jīng)進入了到后基因組時代,生物科學家一直想揭開遺傳物質(zhì)的奧秘,而基因的研究離不開對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的詳細解讀。從信號假說的提出,到對最初“信號假說”概念的打破即發(fā)現(xiàn)了C端的信號肽,人們逐漸發(fā)現(xiàn)信號肽對蛋白質(zhì)的定位重要作用,及信號肽對生物蛋白質(zhì)、醫(yī)療、制藥等方面的諸多應用。生物科技間正相互推動發(fā)展著,若想在生物科學的道路上越早走越遠,要敢于大膽猜測,并不斷探索,潛心研究,并將得到研究成果合理應用到實際生產(chǎn)生活,成為能為科學和人類社會做出貢獻的科學工作者。
參考文獻
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