Science深聚焦：颠覆教科书的蛋白序列

              Rohit Pappu和他的两位同事在9月20日《科学》（Science）杂志上的一篇perspective文章中，揭示了一大类没有遵循结构-功能范例的蛋白质。这些所谓的内在无序蛋白质无论整体或部分均不能折叠，但它们是具有功能的。如果你打开任何一本生物学教材翻到蛋白质的部分，你将会学到蛋白质是由氨基酸序列组成，序列决定了氨基酸链如何折叠成一种紧密的结构，且这种折叠蛋白质的结构决定了它的功能。换句话说，序列编码结构，功能源自结构。近期我们与圣路易斯华盛顿大学生物系统工程学中心的主任、生物医学工程学教授Pappu博士一起追踪了这一的科学。

            已经大约有20年。zui早的线索是一些蛋白质片段没有显示在X射线晶体学或NMR研究中，这些是研究蛋白质结构的标准方法。到上世纪90年代，从事蛋白质与DNA互作机制研究的人们已经注意到当蛋白质与DNA相互作用时它们常常会改变形状。在没有DNA的情况下，所有用于蛋白质结构的标准探针返回的报告显示蛋白质是松散的，而当蛋白质与DNA形成复合物时则具有明确定义的三维结构。偶然。当我2001年正准备离开约翰霍普金斯大学转去华盛顿大学之时。我与印第安那大学医学院的Keith Dunker进行了一次会面，他是该领域的*之一。这纯属巧合。这次是会面以尴尬的方式开始因为Keith不知道我是谁，我也从未听说过他。我正在从事未折叠蛋白的聚合体物理学描述工作，岂料他刚刚写了一篇80页的关于内在无序蛋白的综述论文。

              他说：“每次你与蛋白质科学后巷中的人们谈话，他们都会告诉你他们的蛋白质是非常灵活或高度动态的，这种动态对于功能极其重要。”因此Keith做了两件事情。他综合了所有的信息，然后了解了这些灵活的高度无序的蛋白。与他的同事Vladimir Uversky一起，他提出了疑问是否有可能预测哪些序列是无法自主折叠的。在计算机科学家们的帮助下，教给他如何寻找高维空间中的模式，他知道了20种氨基酸中有11种倾向于是无序的。现在有大约20个无序预测因子。因此当我听到这个故事，我想：“好的，这要么是错乱的，要不是将要变形的。我打赌是变形的，因为我发现他所说的是令人信服的。”因此在华盛顿大学的头两年我开始大量涉猎文献，我想我吓坏了这里的许多人，他们不知道他们已经聘请了此人，还以为他们正在招聘。

             它由领域而定。因此在细菌和原核生物中这些数量相当小。它们大约占蛋白质组的5%。但是如果你转到真核生物或多细胞生物体，那么数量可达到整个蛋白质组的30%或40%。但是如果你问多少比例构成信号蛋白质组（忙于将信号传给其他蛋白的蛋白质）的序列是内在无序的，那么其数量则高达60-70%。似乎存在一种职责分工。结构蛋白参与了催化和运输。内部无序蛋白对于信号传导和调控是非常重要的。我认为有两个逻辑原因。一个是因为与内在无序蛋白相关的复合物是短期存在的，另一个是因为它们通常结合多个而非一个分子。如果一个分子除了在复合物情况下不能折叠，那么用于折叠的部分能量必定是来自分子间的相互作用。且如果这种分子取得的是能量贷款，那么形成复合物将不会是很稳定或是长期存在的。你正将高特异性（因为只有当蛋白质识别与它形成复合物的分子时才会折叠）与低整体亲和力（因为复合物不稳定）结合到一起。

             这 些多对一的相互作用产生是因为无序蛋白常常通过短氨基酸链而非大的蛋白质与蛋白质界面发挥功能。因此单一的多肽链能够与多个靶标相互作用。一个模体与一个蛋白质对话，第二个模体与另一个蛋白质对话，然而通过这条链它们能够彼此沟通。这就是为什么这些分子碰巧处在网络中心的原因。它们通过网络传输信息就像机场中心的空中交通指挥塔台一样。由于它们大部分的功能是通过这些非常小的你说得对。随着我们对它们的了解加深，我们认为我们本应该将无序蛋白称作分子变阻器。对于物理学家而言，无序只是意味着热量波动是占主导的，因此对于物理学家来说这是一个准确的描述。问题在于在生物医学领域无序这个单词已被为疾病。你提到这些蛋白使出高招的一些伎俩。其中我认为很聪明的一个是调节了局部的化学环境来促进特殊反应。这是一个非常重要的概念。如果你正在试管中做化学试验，你想使一种反应进行，你要提高反应物的浓度：A需要碰撞B，而且经常这样做。但这是个概率问题，因此你有可能需要大量的A分子和许多的B才能获得一些统计学数字。但如果A与B之间存在一条系绳，确保彼此经常相互碰撞。你或许用少数并非大量的分子就可以了。

          这一宽松的系绳，实际上，提高了A环绕B的浓度，且这一系绳往往是一个无序区域。另一件你提到的事情是隐藏的无序：这一观点是指结构化蛋白能够变成无序。这是一个反向倒转。这篇perspective文章的共同作者、圣犹他儿童研究医院的Richard Kriwacki在这方面取得了zui明确的发现。他证实两个结构化的区域可以组合到一起——这是整个p53肿瘤抑制装置的一部分——它们试图混合，它们经历了一个解折叠转变，暴露出了被掩藏的位点。隐藏无序的概念是：这些结构域，通过促进彼此的无序，显示出了隐藏的模体或位点，现在可为功能所用。你提到了在生物医学界无序与疾病相关。你的共同作者剑桥MRC分子生物学实验室的M. Madan Babu已经撰写了关于这一连接。是的。细胞做出许多的决定。它们决定分化、死亡、再生或归于静息。这些决定受到调控网络的控制。这一网络中的整合者大部分是无序区域。因此问题在于：这些区域中的突变将会导致不必要的细胞表型以及诸如心血管病、癌症和神经退行性病变等疾病吗?答案是肯定的。但是我们正了解到的是无序区域的突变不一定会产生有害的表型因为相比结构化区域无序区域是相当不受限制的。因此这些区域也是稳固性的操控者。