傳染性蛋白的“負面”和“正面”（7）

朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2018年第9 期第9 頁）

3 傳染性蛋白的生理功能

在本文的前面2 部分中，已詳細介紹了傳染性蛋白產(chǎn)生的機制及其致命的后果。但是，生物演化所創(chuàng)造的奇跡是無窮無盡的，能利用各種機制為自己的生存服務(wù)。傳染性蛋白出現(xiàn)的時間非常早，在原核生物中就已經(jīng)存在，即已有幾十億年的歷史。在這幾十億年的時間內(nèi)，難道生物就沒有開發(fā)出利用這種現(xiàn)象的機制？換句話說，Prion 型的蛋白特殊結(jié)構(gòu)有沒有正面的作用，執(zhí)行一些正常的生理功能？

例如Prion 型的結(jié)構(gòu)是高度規(guī)律的，這樣的結(jié)構(gòu)能否被用于建造生物材料，或用作其他分子聚合的模板？淀粉樣聚合物是高度濃縮的，這樣的結(jié)構(gòu)能否被作為儲存物質(zhì)的一種方式？淀粉樣聚合物是高度穩(wěn)定的，能否被用于儲存需要長期保留的信息？淀粉樣聚合物的特殊結(jié)構(gòu)，能否用于傳遞信息？研究證明，人們所設(shè)想的傳染性蛋白起正面作用的所有例子，生物都已經(jīng)用自己的方式加以實現(xiàn)了，且使用的巧妙程度遠超出人們的想象。傳染性蛋白的作用還真的可以是正面的。

這些蛋白形成Prion 型的結(jié)構(gòu)，就不再是失去生理功能，而是獲得生理功能，因此這些蛋白質(zhì)在絕大多數(shù)情況下都會進入自己的功能狀態(tài)，即Prion 型的結(jié)構(gòu)。這與致病的傳染性蛋白只以小概率變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的情形形成鮮明對比。

在文章的這一部分中，將介紹生物對傳染性蛋白加以正面利用的各種方式，其中包括作為“建筑材料”、儲存方式、“分子手銬”、聚合模板、“記憶元件”，以及通過自己的特殊結(jié)構(gòu)傳遞信息等。

3.1 Prion 型的蛋白作為生物的“建筑材料” 蛋白分子作為身體“建筑材料”的例子很多，例如人的毛發(fā)和指甲、鳥類的喙和羽毛、動物體表的各種鱗片、細菌的鞭毛、原核生物的細胞內(nèi)的“骨架”（由MreB 蛋白、FtsZ 蛋白、CreS 蛋白聚合成的長絲）、真核生物的“細胞骨架”，包括微管（microtubule）、中間纖維（intermediate filament），以及肌 纖蛋白微絲（actin microfilament）等。這些蛋白質(zhì)分子含有大量的α－螺旋，在聚合時分子結(jié)構(gòu)基本不變，也不結(jié)合能夠染Prion 型蛋白的染料剛果紅（Congo red，CR）和硫黃素T（Thioflavine T，ThT，見本文第1 部分），因此不是Prion 型結(jié)構(gòu)的聚合物。

而由橫向β-折疊形成的聚合物，由于具有自己的結(jié)構(gòu)特點，也可以被利用于建造一些特殊的生物材料。特別是當這些材料是在多細胞生物的體外或在單細胞生物的細胞外時，這些聚合物就不容易對生物體造成損傷。蠶絲和蜘蛛絲是Prion型聚合物在多細胞生物體外形成結(jié)構(gòu)的例子，而細菌的菌絲和菌膜是Prion 型聚合物在單細胞生物的細胞外形成結(jié)構(gòu)的例子。

3.1.1 蠶絲和蜘蛛絲由Prion 型結(jié)構(gòu)的蛋白組成 蠶絲是家蠶（Bombyx mori）做繭時使用的材料。蠶絲織成的蠶繭堅韌透氣，可用于保護蠶完成從蛹到孵化為蠶蛾的變化過程。蠶絲幾乎全部由蛋白質(zhì)組成，其中70%～80%為蠶絲蛋白（fibroin），20%～30%為絲膠蛋白（sericin）。蠶絲蛋白組成蠶絲的中心部分，絲膠蛋白在外，將蠶絲蛋白的纖維包裹在一起。

家蠶分泌蠶絲蛋白和絲膠蛋白的腺體是由唾液腺轉(zhuǎn)變而來的，因此蠶吐絲是通過口部下唇上的孔實現(xiàn)的。蠶絲蛋白和絲膠蛋白在剛被合成時的環(huán)境為弱堿性（pH 值為8.2），此時這2 種蛋白是高度溶于水的，還可以在高濃度（大約30%蛋白質(zhì)）的狀態(tài)下被儲存，且2 種蛋白的結(jié)構(gòu)都是無定型的。蠶在吐絲時，這2 種蛋白經(jīng)腺體的管道到達吐絲口，途中管道的酸堿度不斷降低，從初始的pH 值為8.2 逐漸降低至pH 值為6.2，這主要是通過管道壁上的質(zhì)子泵和碳酸酐酶（carbonic anhydrase，催化將水和二氧化碳變?yōu)樘妓釟潲}和氫離子的反應(yīng)）的作用實現(xiàn)的。氫離子濃度的增高會使蛋白側(cè)鏈上的羧基質(zhì)子化，從-COO-變?yōu)?COOH。該反應(yīng)減少了肽鏈上的負電荷，且蛋白經(jīng)過管道時受到剪切力（shear force），使得肽鏈發(fā)生折疊，形成β-折疊，其中就包括Prion 型的結(jié)構(gòu)。

蠶絲蛋白分為重鏈和輕鏈。重鏈分子量為350 kDa，輕鏈分子量為25kDa。重鏈的兩端各有一個親水的氨基端和羧基端，其中氨基端由131個氨基酸殘基組成，在pH 值降低時會變?yōu)镻rion型的結(jié)構(gòu)，而羧基端則負責與輕鏈結(jié)合。在重鏈的中間部分則是由富含甘氨酸和丙氨酸的重復序列組成，其中的丙氨酸殘基上的丙基-CH（CH3）2像拉鏈上的齒，能彼此咬合，對蠶絲蛋白纖維的機械性能具有重要意義。

蠶絲蛋白的輕鏈含有富含精氨酸殘基和賴氨酸殘基的重復序列，由于它們的側(cè)鏈都帶有自由氨基，所以在生理環(huán)境中是帶正電的（氫離子能與氨基氮的未用電子對結(jié)合）。在pH 值降低時，輕鏈也會形成Prion 型的β-折疊。

絲膠蛋白含有大量由38 個氨基酸殘基組成的重復序列，其中絲氨酸殘基（serine）的比例高達38.1%，絲膠蛋白（sericin）也因此得名。人工合成的絲膠蛋白會迅速形成為橫向的β-折疊結(jié)構(gòu)，可被剛果紅染色，并在偏振光顯微鏡下呈現(xiàn)蘋果綠的雙折射現(xiàn)象，說明它們形成的結(jié)構(gòu)與Prion 分子的結(jié)構(gòu)非常相似。

這樣，蠶絲蛋白重鏈的氨基端、蠶絲蛋白的輕鏈及絲膠蛋白，在pH 值降低時都會變?yōu)镻rion 型的橫向β-折疊，使得蠶絲蛋白從可溶狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)。

蛛絲是蜘蛛生產(chǎn)的蛋白質(zhì)性質(zhì)的纖維，有多種用途，包括形成蛛網(wǎng)的蛛絲，包裹蛛卵起保護作用的蛛絲，以及纏繞獵物以防其逃脫的蛛絲。在蛛網(wǎng)中，輻射方向的蛛絲和螺旋狀的蛛絲成分并不相同。因此同一個蜘蛛常能分泌6～7 種蛛絲。輻射方向的蛛絲及蜘蛛將自身吊在空中的蛛絲要承受很大的拉力，叫曳絲（drag silk）。組成曳絲的蛋白主要是蛛絲蛋白（spidroin）。

與蠶絲蛋白類似，蛛絲蛋白在剛產(chǎn)生時也是水溶性的，沒有固定的結(jié)構(gòu)，可在高濃度下被儲存。當蛛絲蛋白被排出體外時，腺體管道的pH 值不斷降低，由初始時的pH 值為7.6 降至出口處的pH 值為5.7。此pH 值降低過程也是質(zhì)子泵和碳酸酐酶作用的結(jié)果。酸度的增加使得蛋白側(cè)鏈上的羧基質(zhì)子化，從-COO-變?yōu)?COOH，減少肽鏈上的負電荷，使得肽鏈的形狀發(fā)生改變，形成β-折疊，包括Prion 型的β-折疊。

蛛絲蛋白在結(jié)構(gòu)上非常類似于蠶絲蛋白的重鏈，即中間部分含有許多富含甘氨酸和丙氨酸殘基的重復序列，在其兩端也有性質(zhì)不同的氨基端和羧基端，但蛛絲的氨基端和羧基端在氨基酸序列上與蠶絲蛋白重鏈的氨基端和羧基端有所不同。蛛絲蛋白的氨基端在pH 值降低時會形成二聚體，但不像蠶絲蛋白重鏈的氨基端那樣形成Prion 型的β-折疊，而蛛絲蛋白的羧基端在pH 值降低時卻會轉(zhuǎn)變?yōu)镻rion 型的β-折疊。

在弱堿性環(huán)境中，使蠶絲蛋白、絲膠蛋白和蛛絲蛋白處于可溶的高濃度狀態(tài)以便儲存，又通過改變pH 值減少肽鏈的負電荷而改變折疊狀況，變?yōu)椴蝗苡谒牡矸蹣泳酆衔?，形成機械性能優(yōu)越的蠶絲和蛛絲，是家蠶和蜘蛛對傳染性蛋白結(jié)構(gòu)的巧妙應(yīng)用。在體內(nèi)儲存時，偏堿的pH 值使得這些蛋白處于水溶性狀態(tài)，既沒有Prion 型的結(jié)構(gòu)，對動物也沒有害處。只有當這些蛋白被排出體外時，pH 值的降低才使得這些蛋白轉(zhuǎn)變成為不溶于水的Prion 型的結(jié)構(gòu)。通過這種方式，家蠶和蜘蛛既利用了Prion 型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又避免了該結(jié)構(gòu)在形成過程中可能產(chǎn)生的毒性，是一個非?！奥斆鳌钡霓k法。

3.1.2 大腸桿菌的菌毛由Prion 型結(jié)構(gòu)的蛋白組成 傳染性蛋白不僅可以被動物用于形成體外結(jié)構(gòu)，例如上文所述的蠶絲和蛛絲，更原始的生物，例如原核生物中的細菌，就已經(jīng)使用Prion 型的蛋白建造細胞外部的結(jié)構(gòu)，這就是細菌的菌毛和細胞外基質(zhì)。

例如，能引起尿道感染的大腸桿菌，在細胞的外膜上長有細長而彎曲的蛋白性質(zhì)的細絲，稱為菌毛（curli），使細菌附著于尿道內(nèi)壁。菌毛可被剛果紅染色，且剛果紅結(jié)合于菌毛上后，其吸收峰值從480 nm 變?yōu)?41 nm，這正是Prion 型蛋白的特征（見文章第1 部分）。菌毛也可以結(jié)合另一個用于鑒定Prion 型結(jié)構(gòu)的染料硫黃素T（ThT），且ThT在結(jié)合菌毛后發(fā)射光的峰值紅移至482 nm，與ThT 結(jié)合于其他典型的Prion 型結(jié)構(gòu)時相同。這些結(jié)果都說明大腸桿菌的菌毛是由Prion 型結(jié)構(gòu)的蛋白所組成的。

大腸桿菌的菌毛由2 個蛋白亞基組成，稱為CsgA 和CsgB，分別由CsgA基因和CsgB基因編碼，在這里Csg 的意思是菌毛特異基因（Curli specific genes）。CsgA 蛋白以無結(jié)構(gòu)的肽鏈被分泌至細胞外，與附著于細胞外膜的CsgB 蛋白結(jié)合，此過程啟動了蛋白結(jié)構(gòu)的改變，從無定型的結(jié)構(gòu)變?yōu)闄M向β-折疊的結(jié)構(gòu)，即Prion 型的結(jié)構(gòu)。

CsgA 和CsgB 蛋白都由151 個氨基酸殘基組成，有30%的序列相同，也都含有5 個相似的重復序列，說明這2 個蛋白都有變?yōu)镻rion 型蛋白的能力。例如，缺少羧基端19 個氨基酸殘基的CsgB不再能附著于細菌的外膜，以分泌蛋白的形式被轉(zhuǎn)移至細胞外，在那里就會形成Prion 型的結(jié)構(gòu)。可能是CsgB 先形成Prion 型的結(jié)構(gòu)，然后將結(jié)合于它的CsgA 蛋白也轉(zhuǎn)變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)。

為CsgA 和CsgB 蛋白編碼的基因和另一個基因，CsgC（功能尚不明確），存在于同一個操縱子（operon）csgBAC 中，即它們共用一個啟動子，以便3 個蛋白的表達能協(xié)調(diào)一致。CsgA 分泌出外膜需要經(jīng)過由CsgG 蛋白在外膜上形成的孔，CsgB 到細胞表面需要CsgF 的幫助，而csgBAC 操縱子的活性又由CsgD 蛋白控制。CsgF 和CsgE 蛋白還有伴侶蛋白（chaperonnin）的活性，幫助CsgA 和CsgB在組裝前不會變?yōu)槠渌慕Y(jié)構(gòu)。而為CsgD、CsgE、CsgF、CsgG 蛋白編碼的基因又處于同一個csgDEFG操縱子中。因此，菌毛的形成需要多個蛋白協(xié)調(diào)一致工作，說明這是細菌在長時期中為了發(fā)展和完善菌毛形成而發(fā)展出來的復雜調(diào)控機制。

3.1.3 枯草桿菌的細胞外基質(zhì)含有Prion 型結(jié)構(gòu)的蛋白 枯草桿菌（Bacillus subtilis）生活在土壤中，在一定條件下細胞可彼此結(jié)合，形成菌膜，以群體的形式應(yīng)對環(huán)境的變化。菌膜的形成主要是通過細胞外的基質(zhì)（extracellular matrix）實現(xiàn)的?；|(zhì)主要由2 個部分組成： 一個是細胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）； 另 一個是 主要由TasA蛋白和TapA 組成的細絲。TasA 能形成Prion 型的結(jié)構(gòu)，是菌絲的主要成分，作用相當于大腸桿菌的CsgA。TapA 為菌絲的次要部分，將TasA 蛋白連接到細胞外壁上，同時啟動TasA 蛋白變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，作用類似于大腸桿菌的CsgB。但TapA本身并不形成Prion 型的結(jié)構(gòu)，而是通過其氨基端中的8 個氨基酸殘基，觸發(fā)TasA 蛋白改變折疊方式而形成橫向β-折疊的過程。在試管中，提純的TasA 蛋白也需要一定比例TapA 的存在才能轉(zhuǎn)變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)。

TasA 和TapA 蛋白的作用還需要第3 個蛋白：SipW。這是一個蛋白酶，可以將TasA 和TapA前體蛋白的信號肽鏈部分切除，使它們成為細胞外部和細胞表面的蛋白。為TasA 蛋白、TapA 蛋白和SipW 蛋白編碼的基因，類似于大腸桿菌的情形，也位于同一個操縱子中，共用一個啟動子，以保證這3 種蛋白的生成協(xié)調(diào)一致。

3.1.4 枯草桿菌的內(nèi)生孢子壁由Prion 型的蛋白構(gòu)成 在環(huán)境條件惡劣時，一些細菌，例如厚壁菌門（Firmicute phylum）中的桿菌（Bacillus）和梭菌（Clostridium），能改變自身的結(jié)構(gòu)，變成內(nèi)生孢子（endospore）。內(nèi)生孢子外面有較厚的壁包裹，細胞里的內(nèi)容物濃縮，并含有高濃度的吡啶二羧酸鈣（Calcium dipicolinate）。這種孢子由細菌自身變化而來，不是繁殖后代的孢子，其目的是在惡劣環(huán)境上長期休眠，在條件合適時再恢復生命活動。這種孢子能抵抗干旱、紫外輻射、高溫等不利條件而存活成千上萬年。最古老的可以復活的內(nèi)生孢子，是從多米尼加發(fā)現(xiàn)的一塊琥珀中一種細菌Bacillus morismortui（類似于現(xiàn)今存活的圓形芽孢桿菌Bacillus sphaericus）的內(nèi)生孢子，經(jīng)過至少2.5 億年仍然能復活。

用硫黃素T（ThT）染色這種孢子，發(fā)現(xiàn)ThT 的熒光均勻地分布在孢子表面，且ThT 分子發(fā)出的熒光在結(jié)合孢子后增強，這正是Prion 型蛋白結(jié)構(gòu)的特征（見本文第1 部分），說明Prion 型蛋白的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)也被細菌用于形成長期保護自身的結(jié)構(gòu)。

3.2 Prion 型結(jié)構(gòu)是肽鏈型激素實現(xiàn)高濃度儲存的方式 一些（不是所有）肽鏈型激素，例如生長激素（growth hormone，GH）、催乳素（prolactin，PRL）、促腎上腺皮質(zhì)激素（adrenocorticotrophic hormone，ACTH）、胰高血糖素（glucagon）、內(nèi)啡肽（endorphin）等，由腺體生成，儲存于合成它們的細胞內(nèi)，在接收分泌信號時再釋放至血液中。

為了在高濃度下被儲存，構(gòu)成這些激素的肽鏈折疊狀態(tài)發(fā)生改變，變?yōu)闄M向β-折疊，并形成聚合物。這些聚合物能被硫黃素T（ThT）染色，且染色后的ThT 的熒光強度增加。這些結(jié)構(gòu)也結(jié)合剛果紅，一種特異結(jié)合Prion 型蛋白結(jié)構(gòu)的染料，說明這些聚合物具有Prion 型的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果也得到電鏡檢查和圓二色性測定的證實，說明生物利用了Prion 型蛋白的緊密結(jié)構(gòu)，以高濃度儲存蛋白質(zhì)。

為避免這些蛋白變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)時可能產(chǎn)生的毒性，該聚合過程是在由生物膜包裹的分泌小囊中進行的。由于是分泌型蛋白，這些蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中生成，并包裹在由高爾基體發(fā)出的小囊中。當內(nèi)部的pH 值降低至5.5 左右時，蛋白像蠶絲蛋白和蛛絲蛋白那樣改變折疊方式，形成Prion 型的聚合物。在需要分泌時，分泌小囊與細胞膜融合，這些激素分子被分泌至細胞外。

這些肽鏈型激素是以單體分子的形式發(fā)揮生理功能的。為了在分泌至細胞外后又能變?yōu)閱误w分子，這些蛋白分子變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的過程必須是可逆的。研究發(fā)現(xiàn)，在變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)的過程中，只有比較短的肽鏈部分變成了橫向的β-折疊，原有的一些α-螺旋結(jié)構(gòu)仍然存在。例如，人的生長激素由191 個氨基酸殘基組成，但只有11 個氨基酸殘基（殘基72～82）與橫向的β-折疊形成有關(guān)。分子其余的部分分布在β-折疊纖維的周圍，其原有結(jié)構(gòu)盡量保存，這樣在環(huán)境條件變化時，例如被分泌至細胞外時，蛋白質(zhì)較易脫離Prion型的聚合物，恢復成單體狀態(tài)。因此，蛋白分子從非Prion 型的結(jié)構(gòu)變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)，既可以是不可逆的，像許多致病的傳染性蛋白；也可以是可逆的，例如這里介紹的肽鏈型激素。所以是否可逆，要看蛋白發(fā)揮生理功能的形式是什么。

（待續(xù)）