傳染性蛋白的“負(fù)面”和“正面”（10）

朱欽士 （美國(guó)南加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

（上接2018年第12期第12頁(yè)）

3.9 Prion 型的纖維蛋白發(fā)出降解自己的信號(hào)Prion 型的蛋白結(jié)構(gòu)，由于自身結(jié)構(gòu)的特殊性，還可用于輸出信號(hào)。例如血管受損時(shí)，血液會(huì)從血管破裂處流出，如果沒(méi)有機(jī)制阻止此過(guò)程，就會(huì)造成持續(xù)出血。生物采取的辦法是形成血塊，堵住破損處。這主要是由纖維蛋白（fibrin）實(shí)現(xiàn)的。

纖維蛋白平時(shí)以纖維蛋白原（plasminogen）的形式在血液中存在。當(dāng)有組織傷害時(shí)，纖維蛋白原被凝血酶（thrombin，又稱為纖維蛋白酶）轉(zhuǎn)化為纖維蛋白。纖維蛋白分子聚合成鏈，并與凝血因子XIIIa（blood factor XIIIa）交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹血細(xì)胞和血小板，形成血塊，堵住血管破損處。

但是血管內(nèi)也不能只生成血塊，而在傷口恢復(fù)后不加溶化。血塊是具有危險(xiǎn)性的結(jié)構(gòu)，一旦脫落會(huì)造成血管栓塞，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。而溶解血塊的信號(hào)正是由Prion 型的纖維蛋白發(fā)出的。纖維蛋白在聚合形成血塊時(shí)，分子結(jié)構(gòu)改變不大，含有α－螺旋和β－折疊2種結(jié)構(gòu)，但是隨著血塊的“老化”，纖維蛋白逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)，能結(jié)合硫黃素T。這個(gè)結(jié)構(gòu)能被“組織特異性纖維蛋白溶酶原活化物”（tissue-type plasminogen activator，tPA）所識(shí)別。tPA 是一種蛋白酶，在與Prion 型的結(jié)構(gòu)結(jié)合后被活化，活化的tPA 將纖維蛋白溶酶原轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維蛋白酶（plasmin）。纖維蛋白酶就能降解纖維蛋白，將血塊溶化。

因此，Prion 型的蛋白結(jié)構(gòu)本身也是一種信息，可被生物所識(shí)別利用。血液中的組織特異性纖維蛋白溶酶原活化物tPA 是識(shí)別這種結(jié)構(gòu)的受體，并以活化纖維蛋白酶的方式作出反應(yīng)。

3.10 細(xì)胞的程序性壞死需要Prion 型的結(jié)構(gòu)傳遞信息 動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞有2種死亡方式，被動(dòng)的和主動(dòng)的。機(jī)械傷害及病毒在細(xì)胞內(nèi)的大量繁殖，都會(huì)造成細(xì)胞被動(dòng)破裂。細(xì)胞的內(nèi)容物，包括溶酶體的水解酶被釋放到細(xì)胞外，引起組織破壞和炎癥，稱為細(xì)胞壞死（necrosis）。在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為細(xì)胞膜破裂、細(xì)胞內(nèi)容物釋放的一類細(xì)胞死亡方式。歷史上，細(xì)胞壞死曾被認(rèn)為是細(xì)胞在不良外界因素（包括物理性因子、化學(xué)性因子及病理性因子等）的損傷下發(fā)生的被動(dòng)死亡事件。但研究表明，許多形式的細(xì)胞壞死也是在細(xì)胞自身基因編程控制下自主有序進(jìn)行的，也屬于程序性細(xì)胞死亡的范疇。

細(xì)胞壞死是細(xì)胞最壞的死亡方式，因此，生物也發(fā)展出了讓細(xì)胞主動(dòng)死亡，但后果不那么有害的方式，這就是細(xì)胞的程序性死亡 （programmed cell death）。歷史上曾有人將程序性細(xì)胞死亡等同于細(xì)胞凋亡（apoptosis）。在細(xì)胞不再被需要（例如蝌蚪在變青蛙時(shí)尾巴的細(xì)胞必須消失）、受到病毒侵害，或已經(jīng)不可再被修復(fù)時(shí)，生物會(huì)主動(dòng)讓細(xì)胞死亡，這樣不僅可減少病毒在細(xì)胞內(nèi)繁殖的時(shí)間，而且程序性的細(xì)胞死亡還可通過(guò)對(duì)周圍組織無(wú)害的方式讓細(xì)胞死亡，例如將細(xì)胞內(nèi)的DNA 切成碎片，蛋白質(zhì)降解，并將細(xì)胞這樣形成的內(nèi)容物“打包”，形成很多由膜包裹的小囊，被周圍的細(xì)胞吞食掉。這樣就避免了細(xì)胞內(nèi)容物外泄所造成的組織傷害。

細(xì)胞的程序性死亡主要是由一類被稱為“胱天酶”（cysteine-aspartic protease，caspase）的蛋白執(zhí)行的。之所以稱為胱天酶，是因?yàn)檫@類蛋白酶的催化反應(yīng)中心含有半胱氨酸殘基，且在其他蛋白肽鏈中的天冬氨酸殘基處將肽鏈切斷，因此與其他蛋白酶不同，是細(xì)胞程序性死亡專用的酶。人類有10種以上胱天酶，在細(xì)胞程序性死亡的不同階段起作用。細(xì)胞的程序性死亡涉及極為復(fù)雜的信號(hào)傳遞過(guò)程，本文只介紹其中的關(guān)鍵步驟。

胱天酶8（Caspase8）負(fù)責(zé)接收細(xì)胞外的死亡指令，啟動(dòng)死亡程序的“上游”。例如身體向腫瘤細(xì)胞發(fā)出死亡信號(hào)，即讓腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）結(jié)合到腫瘤細(xì)胞表面的TNF受體上，受體結(jié)合TNF 后，通過(guò)一個(gè)“死亡分子”（Tumor necrosis factor receptor type 1-associated DEATH domain protein，TRADD）活化另一個(gè)蛋白分子RIP1（receptor-interacting protein 1）。RIP1又可以活化胱天酶8，從而啟動(dòng)細(xì)胞死亡的程序。

雖然細(xì)胞的程序性死亡是最“理想”的細(xì)胞死亡方式，但在有的情況下此路不通，例如病毒抑制了胱天酶的活性。為了繞過(guò)胱天酶這條死亡路線，細(xì)胞改用在細(xì)胞膜上“打洞”的方法讓細(xì)胞死亡。這時(shí)活化的RIP1蛋白和一個(gè)與它非常相似的蛋白R(shí)IP3結(jié)合。由于RIP1和RIP3都有蛋白激酶（在其他蛋白分子上加上磷酸根）活性，它們相互使對(duì)方磷酸化。這2個(gè)分子的磷酸化使得它們形成聚合物。此聚合物可被硫黃素T 染色，染色后熒光強(qiáng)度增加，發(fā)射峰移至485nm；也結(jié)合剛果紅，并將剛果紅的吸收峰從470nm 移至540nm。這些結(jié)果都說(shuō)明，由RIP1和RIP3形成的聚合物具有Prion 型的結(jié)構(gòu)特征。

而這樣Prion 型的結(jié)構(gòu)就具有傳遞信號(hào)的能力。它能使蛋白MLKL（mixed lineage linase domainlike）磷酸化。磷酸化的MLKL 能彼此聚合，在細(xì)胞膜上形成孔洞，使細(xì)胞內(nèi)容物外泄，造成細(xì)胞死亡。細(xì)胞的這種死亡方式類似于細(xì)胞壞死（例如都讓細(xì)胞內(nèi)容物外泄），但又是程序控制的，目的是讓細(xì)胞快速死亡，因此被稱為細(xì)胞的“程序性壞死”（necroptosis），而Prion 型的蛋白結(jié)構(gòu)在細(xì)胞的程序性壞死中的作用不可或缺。

3.11 椰汁中的殺菌肽形成Prion 型的結(jié)構(gòu) 椰汁，即椰子（Coco nucifera）果實(shí)中的液體部分，含有一種具有殺菌功能的肽鏈，稱為椰汁殺菌肽（cn-AMP2）。此肽鏈只含有11個(gè)氨基酸殘基，且肽鏈會(huì)聚合，其結(jié)構(gòu)能結(jié)合剛果紅和硫黃素T，并表現(xiàn)Prion 型蛋白結(jié)合這2種染料后的光線性質(zhì)，說(shuō)明cn-AMP2的聚合物具有Prion 型的結(jié)構(gòu)。

檢查這條肽鏈的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)其中并不含有酵母Prion 功能域中所富含的谷氨酰胺和天冬酰胺，說(shuō)明其他氨基酸序列也能形成Prion 型的結(jié)構(gòu)。這條肽鏈的殺菌功能也許與引起老年癡呆癥的Ab 肽鏈一樣，也是以其低聚物的形態(tài)使細(xì)胞死亡的。

3.12 真菌使用Prion 型蛋白HET-s 使入侵的真菌細(xì)胞死亡 與動(dòng)物用Prion 型的蛋白傳遞信息，導(dǎo)致細(xì)胞程序性死亡類似，真菌也利用Prion 型的蛋白實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的程序性壞死。

不同株的柄孢霉（Podospora anserina）的菌絲有時(shí)可相互融合，一起生長(zhǎng)，有時(shí)卻彼此不相容，一旦不同株的菌絲彼此融合，就會(huì)造成一種菌絲的死亡，稱為“異核體不相容”（heterokaryon incompatibility），其目的是防止同種寄生（一種生物個(gè)體寄生在同種的另一個(gè)生物個(gè)體上），以及防止被另一種個(gè)體中所含的病毒所感染。研究發(fā)現(xiàn)，造成這種不相容現(xiàn)象是一個(gè)稱為het的基因（het 是異核體不相容英文名稱的前3個(gè)字母）。2個(gè)不相容的柄孢霉所含的het基因有微小差別，生成的蛋白也有些許差別，分別稱為HET-S 和HET-s（大寫字母表示蛋白質(zhì)，斜體小寫表示基因）。

HET-S 和HET-s 都由289個(gè)氨基酸殘基組成，但有13個(gè)氨基酸殘基不同，其中最重要的是第33位的氨基酸，在HET-S 蛋白中是組氨酸，而在HET-s 中變成了脯氨酸。這2種蛋白都含有類似的氨基端和羧基端。其中羧基端含有2個(gè)由21個(gè)氨基酸殘基組成的重復(fù)序列，能轉(zhuǎn)變成為橫向β-折疊，使分子形成聚合物。這樣的結(jié)構(gòu)能結(jié)合剛果紅，并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)蘋果綠色的雙折射現(xiàn)象，也結(jié)合硫黃素T，證明這樣的聚合物具有Prion 型的結(jié)構(gòu)。

HET-S 蛋白在羧基端變?yōu)镻rion 型結(jié)構(gòu)時(shí)，也改變自身的結(jié)構(gòu)，分子移動(dòng)到細(xì)胞膜，在細(xì)胞膜上形成孔洞，使細(xì)胞內(nèi)容物外泄，造成細(xì)胞死亡。因此在HET-S 型的菌株中，HET-S 蛋白是不能以Prion 型的結(jié)構(gòu)存在的，因?yàn)檫@會(huì)造成細(xì)胞的死亡。但是在HET-s 蛋白中，第33位氨基酸殘基的改變使它失去在細(xì)胞膜上穿孔的能力，所以即使蛋白變成為Prion 型的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞仍然能生存。出于此原因，90%的HET-s 菌株中，HET-s 蛋白都是以Prion 型的結(jié)構(gòu)存在的。

當(dāng)HET-S 菌株的菌絲與HET-s 菌株的菌絲融合時(shí)，處于Prion 型結(jié)構(gòu)的HET-s 蛋白能使HET-S 蛋白的羧基端也變?yōu)镻rion 型的結(jié)構(gòu)。這個(gè)改變使HET-S 蛋白獲得了在細(xì)胞膜上穿孔的能力，使得HET-S 的菌絲死亡。

有趣的是，HET-S/s 蛋白羧基端中的21殘基重復(fù)序列和RIP1/3分子中形成Prion 型結(jié)構(gòu)的功能域是同源的，即它們含有一些共同的氨基酸序列，因此可能來(lái)自共同的祖先。而HET-S 的氨基端又與RIP1/3的效應(yīng)分子MLKL 有共同的氨基酸序列，所以這2個(gè)能在膜上穿孔的蛋白功能域也可能有共同的起源。這說(shuō)明這類Prion 蛋白的功能域出現(xiàn)的時(shí)間非常早，在真菌和動(dòng)物這兩大類生物分開之前就出現(xiàn)了。但動(dòng)物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)比真菌細(xì)胞復(fù)雜得多，其調(diào)控機(jī)制也相應(yīng)復(fù)雜得多。在動(dòng)物中，RIP1/RIP3S 是通過(guò)MLKL 這個(gè)效應(yīng)分子在細(xì)胞膜上穿孔的，而羧基端變成Prion 型結(jié)構(gòu)的HET-S 本身就是效應(yīng)分子，直接在細(xì)胞膜上穿孔。

這2類蛋白的Prion 功能域與酵母的Prion 的功能域不同，并不富含谷氨酰胺殘基，說(shuō)明它們與酵母的Prion 蛋白有不同的來(lái)源。

4 小結(jié)

從本文介紹的內(nèi)容可以看出，蛋白的肽鏈要折疊成為適合其功能狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常精細(xì)和脆弱的過(guò)程。由于肽鏈不同折疊形式之間能量障礙非常小，許多微小的因素都能使肽鏈從一種折疊狀況轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N折疊狀況。盡管演化過(guò)程已對(duì)肽鏈中的氨基酸序列進(jìn)行了“優(yōu)化”，盡量避免會(huì)形成Prion結(jié)構(gòu)的氨基酸序列，但由于基因突變所引起的氨基酸殘基的改變是不可避免的，也是不能預(yù)期的，總會(huì)有基因突變使得蛋白易于折疊成為Prion型的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各種淀粉樣變性病。盡管生物發(fā)展出了各種預(yù)防機(jī)制，以應(yīng)對(duì)蛋白可能出現(xiàn)的折疊錯(cuò)誤，包括發(fā)展出伴侶蛋白，以及消滅折疊錯(cuò)誤的蛋白的機(jī)制，但這樣的機(jī)制也不能做到100%有效，且隨著生物年齡增長(zhǎng)也會(huì)降低效能。因此，由蛋白折疊錯(cuò)誤而引起的疾病不能被完全避免。

另一方面，Prion 型的蛋白結(jié)構(gòu)由于其穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又可以被用于執(zhí)行一些正常的，甚至是非常重要的生理功能，包括形成功能性結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)存、記憶、作為模板，以及信息傳遞等。這些功能已成為生物生命活動(dòng)不可或缺的部分，演化過(guò)程中也不會(huì)消除它們。因此，生物所面對(duì)的是一種兩難的境地： 一方面要盡量減少肽鏈折疊錯(cuò)誤所引起的負(fù)面后果，另一方面又要保留那些有正面作用的折疊“異常”。然而，生物的演化并沒(méi)有“設(shè)計(jì)者”事先規(guī)定如何處理每一種折疊異常的情況，只能通過(guò)這些折疊變化所引起的后果確定淘汰或保留這些變化，就像本文中所看到的這樣。

（完）