Cell：華麗變身，蛋白質獲取全新功能
日期：2012-07-23 08:24:54
來自德國拜羅伊特大學研究人員領導一項新研究揭示了一種科學家們曾經認為不可能的機制：蛋白質通過展開（unfold）自身，再折疊形成全新的形狀獲取了全新的功能。這一研究發現在線發表在7月20日的《細胞》（Cell）雜志上。
這種稱作RfaH的蛋白可激活基因，使細菌細胞對它們的宿主發起成功的攻擊，引發疾病。研究人員確定RfaH開始是alpha形狀，由兩個螺旋形構成。隨后，變為了類似車輪上輪軸的beta形狀。
研究的主要作者、俄亥俄州立大學微生物學教授Irina Artsimovitch 說：“我們發現RfaH再折疊，就已經是一件了不起的事情。你會認為這是不可能的。這是在學校里告訴你的。然而在這一情況下，甚至超越了它。因為我們證實當RfaH再折疊時，它獲得了全新的功能。它能做到從前不能做的事情。
“盡管這一過程在很短的時間內發生，Artsimovitch將這種再折疊比喻為“有一件針織衫，你可以拆開，然后以一種不同的方式再將其編織為一件針織衫?！?/SPAN>
這些發現對于研究基因表達調控和蛋白質結構具有重要的意義。這種驚人的再折疊能力表明RfaH和相似的蛋白或許能夠以多種方式結合從前未曾考慮過的其他分子。從事蛋白質設計的科學家們有可能獲得一種全新的步驟添加到他們的模型中?，F在首個由完全的alpha結構轉變為beta結構的例子得到了證實，研究人員將獲得很好的機會發現可以做同樣事情的其他蛋白。
尤其是，這些結果使人聯想到了朊蛋白，一種引起人類和哺乳動物致命性腦疾病的傳染原。朊蛋白從無害的alpha形式再折疊轉變為傳染性的beta形式，啟動了一種鏈式反應導致大的朊蛋白聚集，這是引起瘋牛病的致病因素。
所有的蛋白都會折疊為由DNA序列決定的指定形狀，在一個細胞中擁有一種功能。例如，一些包括RfaH在內的蛋白會開啟基因的表達，這通常就是故事的結束。
近期Artsimovitch和同事們證實RfaH縮小了RNA聚合酶中一個關鍵的缺口，使得其能夠緊抓住DNA，啟動基因激活，即轉錄過程。RNA聚合酶可通過將其自身環繞在雙鏈DNA外圍，利用一條鏈匹配核苷酸，生成RNA拷貝，負責設置所有細胞中基因表達激活。
然而研究人員觀察到當RfaH結合到DNA和RNA聚合酶上時，它分開了兩半，一部分結合酶，另一部分緊握住由少量氨基酸組成的一條鏈。然后它再折疊成了一種完全不同的形狀。
新研究工作顯示再折疊使得RfaH能夠參與到基因表達中另一個完全不同的步驟——翻譯。在翻譯過程中，核糖體與mRNA相結合，利用它的指令選擇氨基酸，然后將它們連接成鏈，氨基酸鏈隨后折疊組成蛋白，基因表達的最后產物。
“你擁有的對轉錄起作用的因子和對翻譯起作用的因子，它們通常是不一樣的，”Artsimovitch說。
很久以前研究就確定了RfaH是一種轉錄因子，且這種功能是普遍保守的，即這種作用存在于所有活生物體中，并可代代相傳。
而新研究表明RfaH作為翻譯因子效力更強，其比作為轉錄因子時強大約100倍。Artsimovitch說在翻譯過程中RfaH有更強的效力，因為它在mRNA缺乏足夠信息讓核糖體完成蛋白質構建時能夠招募核糖體分子。
Artsimovitch 說：“通常，核糖體會結合到一種特定的序列上。如果沒有序列，它會不知道去何處結合。我們認為核糖體不識別序列時，轉而識別RfaH而啟動了翻譯。這就是我們準備現在研究的，它完全是前所未有?！?/SPAN>
“一旦再折疊，RfaH能夠與核糖體發生互作。這真是一個非常聰明的方法。這個小小的蛋白，它可以同時結合RNA聚合酶和核糖體上，將它們連結在一起?！?/SPAN>
Artsimovitch和同事們實際上早在幾年前就提出了RfaH再折疊，因為他們觀察到了與預期不同的結構。然而RfaH序列會在硅片上通過計算機模擬折疊成“正確”的形狀。
文章的第一作者、拜羅伊特大學的科學家Paul Rösch利用高科技核磁共振成像檢測了這一想法。他的試驗時發現RfaH確實可以折疊成兩種不同的狀態。這兩個實驗室隨后展開合作著手研究確定RfaH再折疊的功能意義。
Artsimovitch一直以來都利用大腸桿菌作為這些研究的模型系統。在這些細胞中，RfaH蛋白是一種可使細菌具備感染和致病能力的致病因子。盡管在本研究中沒有強調這一作用，Artsimovitch解釋說它表明這種特殊的蛋白具有一些特殊的性質是有道理的。
控制細菌毒力的基因通常翻譯效率極低，因此，它們需要專門的蛋白質來幫助它們表達。如果RfaH不能再折疊實現翻譯，某些基因就不能表達，在野生環境中，這些細菌則無法生存。
研究人員發現蛋白質結構域分離，觸發了再折疊。他們通過實驗再現了這一事件。但是他們還沒有確定是什么精確地使得分離發生，他們正在設計模型進一步調查再折疊過程。
“此處存在一個大問題：RfaH是如何知道何時開始結合信息招募核糖體的？我們可以說核糖體知道何處開始，但它如何知道，我們還不清楚，”Artsimovitch說。
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