如何三步搞定蛋白質(zhì)的“千變?nèi)f化”

王方軍

《西游記》中，孫悟空有七十二般變化。其實，人體內(nèi)的蛋白質(zhì)也具有“千變?nèi)f化”的本事——幾秒鐘內(nèi)就能改變自身“面貌”，提升“戰(zhàn)斗力”（活性），行使不同的生物學功能。這就是蛋白質(zhì)翻譯后修飾，多少年來，研究者們都對此無所適從。

人體內(nèi)約有2萬個基因，直到2001年，科學家才初步解析了人類的全基因組序列。蛋白質(zhì)由基因翻譯合成而來，按理說，人類的2萬個基因能翻譯合成2萬種蛋白質(zhì)，解析人類全部蛋白質(zhì)似乎指日可待。但事與愿違，這2萬種基因編碼蛋白質(zhì)個個都是“千變?nèi)f化”的孫悟空，而且具有超過400種不同變化。不同的變化還可能同時進行、動態(tài)變化。也就是說，人體內(nèi)發(fā)生的蛋白質(zhì)翻譯后修飾種類超過400種，可以單獨或多種同時發(fā)生于某個特定時空的蛋白質(zhì)上，使得人體內(nèi)蛋白質(zhì)種類急劇增加，總數(shù)超過一億種。

那么，如何將一個個“改頭換面的孫悟空（修飾蛋白質(zhì)）”從人體內(nèi)茫茫蛋白質(zhì)大海中尋找出來呢？這就需要我們發(fā)展蛋白質(zhì)翻譯后修飾規(guī)?；治龇椒ā毦湍芡瑫r識別成千上萬個“真假悟空”的火眼金睛。

為此，蛋白質(zhì)翻譯后修飾分析實現(xiàn)了“三步走”戰(zhàn)略。

第一步：挑出來。該分析的第一步，是如何將具有某一類特定變化（如磷酸化）的蛋白質(zhì)從海量的干擾蛋白質(zhì)中高選擇性地“捕獲（富集）”出來。這如同天文學家要從茫茫星辰大海中把適合人類居住的行星找出來一樣困難。

捕捉修飾蛋白質(zhì)的任務主要由分析化學家承擔，他們設計出了像導彈一樣可以選擇性追蹤并捕獲修飾蛋白質(zhì)的特殊材料，稱為“親和富集材料”。親和富集材料的優(yōu)劣體現(xiàn)在兩個方面，第一是選擇性要高，盡可能減少錯誤目標的捕獲，第二是效率要高，盡可能捕獲更多的正確目標。這與材料本身的性質(zhì)，如比表面積、親水性、生物兼容性等相關，也與材料上面的“制導系統(tǒng)（選擇性富集功能基團）”的化學性質(zhì)，如親和力、選擇性等相關。

因此，分析化學家在設計和合成修飾蛋白質(zhì)親和富集材料時，需要綜合運用化學、材料學等多方面知識，極具挑戰(zhàn)性。以磷酸化蛋白質(zhì)富集為例，我國分析化學家在聚合物微球、介孔納米材料等多種基質(zhì)材料上，通過化學修飾手段螯合了可以與磷酸化蛋白質(zhì)上磷酸根選擇性結(jié)合的金屬離子，可以高選擇性捕獲磷酸化蛋白質(zhì)，選擇性高達90%以上，處于國際領先水平。

第二步：排好隊。分析的第二步是將捕獲到的修飾蛋白質(zhì)盡可能有序分離，以便后續(xù)確定每一個的獨特身份。但是，修飾蛋白質(zhì)亂糟糟地混在一起，如何對它們進行排序呢？這就需要應用分析化學家發(fā)明的一項分子排序（分離）技術——液相色譜。

液相色譜將要分離的復雜樣品溶解于液體流動相，并高速通過一根填滿固定相材料的柱子，因樣品中的分子與固定相和流動相的作用力差異，通過柱子的速度各不一樣，依次在柱子的出口端按順序離開。

然而，富集出來的修飾蛋白質(zhì)種類仍然十分復雜，分析化學家需要設計和組合使用多種液相色譜分離模式對其充分分離。其中，最常用的是離子交換色譜和反相色譜。在修飾蛋白質(zhì)高分辨色譜分離方面，我國科學家發(fā)明了高低pH值二維反相色譜系統(tǒng)等先進技術，對人肝磷酸化蛋白質(zhì)進行了高效色譜分離。

第三步：定身份。這是對色譜柱出口處順序離開的修飾蛋白質(zhì)確定身份，包括確定蛋白質(zhì)種類、翻譯后修飾發(fā)生的位點等。

在這里，需要使用質(zhì)譜儀—— 一種可以對分子稱重的高端科學儀器。在宏觀世界中，人們可以利用地球萬有引力對物體稱重。但在微觀世界中，分子和原子受到的萬有引力非常微小，無法利用常規(guī)工具稱重。1912年，英國物理學家在研究陰極射線時發(fā)明了最初的磁質(zhì)譜儀，成為微觀世界原子和分子質(zhì)量測量最重要的工具。

修飾蛋白質(zhì)進入質(zhì)譜儀后，質(zhì)譜儀將首先測量其質(zhì)量，但這還無法確定修飾蛋白質(zhì)的身份。于是，質(zhì)譜儀再將修飾蛋白質(zhì)碰撞為碎片，并對所有碎片稱重。由于蛋白質(zhì)由20余種氨基酸組成，在碎裂時遵守特定規(guī)律，不同修飾蛋白質(zhì)的碎片情況都是特有的。因此，科學家可以根據(jù)特定碎片質(zhì)譜圖，確定修飾蛋白質(zhì)的序列和修飾位點。

通過以上三步，科學家可以在一天內(nèi)分析檢測人體中的數(shù)千個修飾蛋白質(zhì)，這在十幾年前是無法想象的。值得一提的是，人體內(nèi)翻譯后修飾蛋白質(zhì)的種類和數(shù)目與人體健康情況密切相關，相關分析技術極有可能在不久后為我們的身體保駕護航。

我國在修飾蛋白質(zhì)分析方面的科學研究總體處于世界前列，例如，我國分析化學家首創(chuàng)的磷酸酯鋯親富集材料，是當今世界上磷酸化蛋白質(zhì)富集效率最高的材料之一。但是，修飾蛋白質(zhì)分析技術離真正造福于民還有很長的路要走。

目前，研究相對成熟的蛋白質(zhì)翻譯后修飾還僅僅局限于磷酸化、糖基化、乙?；仁喾N修飾，完全揭秘人體內(nèi)蛋白質(zhì)的“千變?nèi)f化”還需要繼續(xù)不懈努力。