摘要 許多不相關(guān)的蛋白質(zhì)含有相同的短肽序列卻形成不同的空間構(gòu)象. 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換廣泛存在于蛋白質(zhì)折疊和功能過程中, 具有重要的生物學(xué)意義. 綜述了Serpin和EF-Tu的失活、血細(xì)胞凝集素的激活、蛋白酶成熟、亞基裝配和蛋白質(zhì)淀粉樣化等過程中肽鏈同源肽段的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式, 并討論了它在理解蛋白質(zhì)折疊機(jī)理和“構(gòu)象病”病因中的應(yīng)用.
關(guān)鍵詞 蛋白質(zhì)折疊, 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換, α/β轉(zhuǎn)換, 淀粉樣化
蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是體現(xiàn)生物功能的基礎(chǔ), 蛋白質(zhì)折疊則是形成空間結(jié)構(gòu)的過程. 早在70年代, Anfinsen［1］就提出了蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)的著名學(xué)說, 認(rèn)為蛋白質(zhì)折疊是受熱力學(xué)因素控制的. 天然蛋白質(zhì)處于能量最低(即熱力學(xué)最穩(wěn)定)的狀態(tài). 一般來說, 天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的, 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是其保持生物個體功能和物種的相對穩(wěn)定所要求的.
蛋白質(zhì)擔(dān)負(fù)著復(fù)雜的生化反應(yīng), 同時在生物合成以后, 蛋白質(zhì)本身也經(jīng)歷著繁雜的生理過程. 蛋白質(zhì)自翻譯以后, 還需進(jìn)行一系列的翻譯后過程, 包括跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、修飾加工、折疊復(fù)性、生化反應(yīng)、生物降解等. 這些過程似乎都伴隨著蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換, 不但受蛋白質(zhì)肽鏈自身的熱力學(xué)穩(wěn)定性所控制, 而且還受動力學(xué)過程控制. 這不僅是蛋白質(zhì)拓?fù)鋵W(xué)因素的需要, 而且也是某些蛋白質(zhì)生理功能調(diào)節(jié)所必需的. 近年來, 由于某些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和錯誤折疊所引起的“構(gòu)象病”的發(fā)現(xiàn), 成了刺激蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)換與生物功能關(guān)系研究熱潮的一個重要原因. 這里的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換(structural transformation or structural switch)與通常意義的結(jié)構(gòu)變化(structural change)或構(gòu)象變化(conformational change)不同. 前者指較大程度的結(jié)構(gòu)變化, 往往導(dǎo)致三級結(jié)構(gòu)和二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變; 后者則僅僅為蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的擾動或柔性. 本文將從幾個方面簡述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的研究背景和發(fā)展前沿.
1 同源肽段的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換
許多實(shí)驗(yàn)表明, 蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)［2］; 同一片段在不同的溶劑環(huán)境中能進(jìn)行二級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變［3］; 甚至同一肽段在不同的蛋白質(zhì)中的二級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu), 可在六氟異丙醇中則轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷?alpha;螺旋結(jié)構(gòu)［5,6］.Minor和Kim［7］曾設(shè)計一個稱為“變色龍”肽段(chameleon), 分別插入蛋白質(zhì)G的IgG結(jié)合結(jié)構(gòu)域的不同二級結(jié)構(gòu)區(qū)域中, 結(jié)果此肽段形成兩種不同類型的二級結(jié)構(gòu). 插入原α螺旋區(qū)域的肽段形成α螺旋結(jié)構(gòu), 而插入原β折疊區(qū)域的同樣肽段則形成β折疊結(jié)構(gòu). 同樣地, Gasset等［8］發(fā)現(xiàn)與傳染粒子蛋白(prion)的α螺旋同源多肽片段形成β折疊結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象. 另一有趣的研究進(jìn)展是有關(guān)蛋白質(zhì)煉丹術(shù)(protein alchemy)問題, Dalal等［9］通過分子設(shè)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(zhì)成功地轉(zhuǎn)換成為全α螺旋折疊類型的蛋白質(zhì). 蛋白質(zhì)中肽鏈序列雖然有一定的構(gòu)象形成勢, 但不是絕對的. 有時隨著環(huán)境因素的變化而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換. 很可能這是蛋白質(zhì)為了適應(yīng)生物功能調(diào)節(jié)和進(jìn)化的要求所必需的生理轉(zhuǎn)化.
2 二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換
絲氨酸蛋白酶抑制劑(serpin)家族是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的典型范例. 體內(nèi)新合成的或體外再折疊復(fù)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(qū)域, 此結(jié)構(gòu)可直接插入靶蛋白酶的活性中心形成復(fù)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(zhuǎn)化成無活性的潛伏型(latent-form, L型)抑制劑, 其Loop區(qū)肽鏈轉(zhuǎn)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(guān)的殘基被包埋導(dǎo)致活力喪失［10］. 另一些抑制劑, 如α1-antitrypsin, 其Loop區(qū)先被蛋白酶解再向β折疊鏈的構(gòu)象轉(zhuǎn)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(fù)性方法轉(zhuǎn)變成A型, 然后又慢慢變成L型. 流感病毒血細(xì)胞凝集素(influenza hemagglutinin, HA)在pH誘導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)變化與細(xì)胞膜融合功能緊密相關(guān)的. HA在pH 7.0時, 其空間結(jié)構(gòu)是由helix-loop-helix的頭狀單體結(jié)構(gòu)域組成的三聚體蛋白(HA-N); 可在低pH(pH＜5)條件下, 中間Loop區(qū)域轉(zhuǎn)化為螺旋結(jié)構(gòu)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(tài)(fusogenic state, HA-L)［12］. HA-L可介導(dǎo)病毒和宿主細(xì)胞的膜融合. 另一例子是蛋白質(zhì)生物合成過程中的延長因子EF-Tu, 其中的開關(guān)區(qū)域(switch region)的六個殘基肽鏈ProGluGluLysAlaArg也存在α和β的構(gòu)象轉(zhuǎn)換［13］. 當(dāng)EF-Tu與GTP結(jié)合成為有活性的GTP型時, 這六肽序列形成α螺旋結(jié)構(gòu); 而它與GDP結(jié)合時形成無活性的GDP型, 此序列則轉(zhuǎn)換為β折疊結(jié)構(gòu). 從上述例子可以看出, 這種Loop/α、Loop/β或α/β間的二級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)成蛋白質(zhì)活性調(diào)節(jié)的開關(guān).
3 前體肽輔助蛋白質(zhì)折疊
一些蛋白酶, 如subtilisin, α-lytic protease和papain等, 新合成的蛋白質(zhì)產(chǎn)物含有一段前體肽. 前體蛋白能夠自發(fā)地折疊成正確的三維空間結(jié)構(gòu). 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(dāng)穩(wěn)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(fù)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(fù)性是至關(guān)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(diào)節(jié)的因素. 為了協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)合成和蛋白質(zhì)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(zhuǎn)化可能也是這種適應(yīng)活性調(diào)節(jié)的類型.
4 螢光素酶的亞基轉(zhuǎn)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(dāng)β亞基單獨(dú)存在時能形成非常穩(wěn)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(shí)驗(yàn)說明, 在熱力學(xué)能量上β2比αβ穩(wěn)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(xué)因素控制的. 究竟這種四級結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變的生物學(xué)意義還不清楚.
5 蛋白質(zhì)淀粉樣化
已有很多事實(shí)證明, 基因工程產(chǎn)物包涵體的形成和蛋白質(zhì)淀粉樣化(amyloidosis)所引起的疾病都與蛋白質(zhì)積聚有關(guān)［16］. 蛋白質(zhì)積聚往往由蛋白質(zhì)的錯誤折疊所引起的, 而蛋白質(zhì)構(gòu)象元件的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致蛋白質(zhì)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(guān)的prion蛋白的積聚. 正常細(xì)胞中PrPc的一段序列是α螺旋結(jié)構(gòu)［17］, 若此α螺旋發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān). Asp67His突變體的熱穩(wěn)定性下降且易形成纖維狀積聚體, 其中α螺旋結(jié)構(gòu)明顯減少, 整個積聚體主要由β折疊結(jié)構(gòu)所構(gòu)成［20］. 另外, βAPP蛋白(β amyloid precursor protein)的剪切和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換引起的淀粉樣蛋白沉積與老年癡呆癥的發(fā)生有關(guān). 其他容易形成淀粉樣化并引起疾病的蛋白質(zhì)還有transthyretin, crystallin等［16,,22,23］. 很顯然, 蛋白質(zhì)的淀粉樣化是許多“構(gòu)象病”的直接原因.
6 問題和展望
一般來說, 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu), 給定的一級序列就能自發(fā)地折疊成特定空間結(jié)構(gòu)和生物功能的蛋白質(zhì)分子. 這已有大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明. 然而, 上述幾個例子表明并不是所有蛋白質(zhì)的天然活性狀態(tài)一定是熱力學(xué)上的最穩(wěn)定態(tài); 動力學(xué)因素對折疊途徑和亞穩(wěn)態(tài)的形成有一定程度的影響［24］. 在某些特別蛋白質(zhì)(如上所述)的折疊和功能過程中, 動力學(xué)因素的作用相當(dāng)重要. 假如某個蛋白質(zhì)折疊成天然態(tài)的活化能較大, 折疊反應(yīng)受動力學(xué)因素控制, 先達(dá)到結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài); 接著才受熱力學(xué)因素的影響, 蛋白質(zhì)慢慢轉(zhuǎn)化為能量最低狀態(tài).
從上述例子中看, 具有β折疊結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)容易形成積聚, 而纖維狀的蛋白質(zhì)積聚體中往往含有大量的β結(jié)構(gòu)存在. 蛋白質(zhì)由于突變或其他因素引起α螺旋向β折疊的轉(zhuǎn)換或許是比較普遍的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模式, 具有較廣泛的生物學(xué)意義. 這方面還有許多例子有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn). 考察α螺旋和β折疊的結(jié)構(gòu)特征, 發(fā)現(xiàn)β折疊往往含較多的非極性殘基, 并埋在蛋白質(zhì)內(nèi)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(cè)朝向蛋白質(zhì)內(nèi)部. α/β的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致疏水核的暴露和親水面的減少, 容易引起蛋白質(zhì)分子間形成交叉β折疊結(jié)構(gòu)(cross-β-sheet)這可能是引起prion等蛋白質(zhì)分子間積聚的主要原因. 那么, 從熱力學(xué)或動力學(xué)觀點(diǎn)看, 究竟是什么內(nèi)在因素引起這種α螺旋向β折疊的轉(zhuǎn)換. 這或許是今后認(rèn)識蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和分子積聚本質(zhì)的基礎(chǔ).
總之, 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與蛋白質(zhì)功能和蛋白質(zhì)積聚問題已開始受到人們的關(guān)注. 對下列幾個疑難問題的認(rèn)識, 將會對生命科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響.a.蛋白質(zhì)折疊是受熱力學(xué)還是動力學(xué)控制;b.結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的生物學(xué)意義;c.α/β轉(zhuǎn)換有多大的普遍性, 其誘發(fā)因素是什么;d.蛋白質(zhì)在什么條件下會形成積聚(淀粉樣化), 它與人類疾病的關(guān)系;e.為什么prion蛋白有傳染性, 它跟DNA遺傳和傳染有無關(guān)系.f.基因變異所產(chǎn)生的疾病有多少是與蛋白質(zhì)折疊有關(guān).
參考文獻(xiàn)
[1] Anfinsen C B. Principles that govern the folding of the protein chains. Science, 1973, 181(4096): 223～227
[2] 胡紅雨, 魯子賢(Hu H Y, Lu Z X). 二級結(jié)構(gòu)形成: 蛋白質(zhì)折疊起始的框架模型. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展(Prog Biochem Biophys), 1994, 21(6): 508～512
[3] Searle M S, Williams D H, Packman L C. A short linear peptide derived from the N-terminal sequence of ubiquitin folds into a water-stable non-native β-hairpin. Nat Struct Biol, 1995, 2(11): 999～1006
[4] Wilson I A, Haft D H, Getzoff E D, et al. Identical short peptide sequence in unrelated protein can have different conformations. Proc Natl Acad Sci USA, 1985, 82(16): 5255～5259
[5] Hu H Y, Lu Z X, Du Y C. Solution conformation of T18 peptide derived from Trichosanthin by NMR studies and comparison of T14, TDK and T18 peptides. Chin J Biochem Biophys, 1996, 28(4): 231～239
[6] Hu H Y, Lu Z X, Du Y C. Solution conformation of N-terminal fragments of Trichosanthin small domain (TCS182-200): circular dichroic studies. J Pept Res, 1997, 49(2): 113～119
[7] Minor D L, Kim P S. Context-dependent secondary structure formation of a designed protein sequence. Nature, 1996, 380(6576): 730～734
[8] Gasset M, Baldwin M A, Prusiner S B, et al. Predicted α-helical regions of the prion protein when synthesized as peptides form amyloid. Proc Natl Acad Sci USA, 1992, 89(22): 10940～10944
[9] Dalal S, Balasubramanian S, Regan L. Protein alchemy: changing β-sheet into α-helix. Natl Struct Biol, 1997, 4(7): 548～552
[10] Wang Z L, Mottonen J, Goldsmith E J. Kinetically controlled folding of the serpin plasminogen activator inhibitor 1. Biochemistry, 1996, 35(51): 16443～16448
[11] Lee K N, Park S D, Yu M H. Probing the native strain in α1-antitrypsin. Nat Struct Biol, 1996, 3(6): 497～500
[12] Carr C M, Kims P S. A spring-loaded mechanism for the conformational change of influenza hemagglutinin. Cell, 1993, 73(4): 823～832
[13] Abel K, Yoder M D, Hilgenfeld R, et al. An α to β conformational switch in EF-Tu. Structure, 1996, 4(10): 1153～1159
[14] Gallagher T, Gilliland G, Wang L, et al. The prosegment-subtilisin BPN?complex: crystal structure of a specific ‘Foldase’. Structure, 1995, 3(9): 907～914
[15] Baldwin T O, Christopher J A, Raushel F M, et al. Structure of bacterial luciferase. Curr Opin Struct Biol, 1995, 5(6): 798～809
[16] Kelly J W. Alternative conformations of amyloidogenic proteins govern their behavior. Curr Opin Struct Biol, 1996, 6(1): 11～17
[17] Riek R, Hornemann S, Wuthrich K, et al. NMR structure of the mouse prion protein domain PrP (121～231). Nature, 1996, 382(6587): 180～182
[18] Harrison P M, Bamborough P, Daggett V D, et al. The prion folding problem. Curr Opin Struct Biol, 1997, 7(1): 53～59
[19] Safar J, Roller P P, Gajdusek D C, et al. Thermal stability and conformational transitions of scrapie amyloid (prion) protein correlate with infectivity. Protein Sci, 1993, 2(12): 2206～2216
[20] Brooth D R, Sunde M, Bellotti V, et al. Instability, unfolding and aggregation of human lysozyme variants underlying amyloid fibrillogenesis. Nature, 1997, 385(6619): 787～793
[21] Lansbury P T, Costa P R, Grifiths J M, et al. Structural model for the β-amyloid fibril based on interstrand alignment of an antiparallel-sheet comprising a C-terminal peptide. Nat Struct Biol, 1995, 2(11): 990～998
[22] Thomas P J, Qu B H, Pedersen P L. Defective protein folding as a basis of human disease. Trends in Biochem Sci, 1995, 20(11): 457～459
[23] Taubes G. Misfolding the way to disease. Science, 1996, 271(5255): 1493～1495
[24] Baker D, Agard D. Kinetics versus thermodynamics in protein folding. Biochemistry, 1994, 33(24): 7505～7509
本文原刊登在《生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展》1999年第1期
