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人和動物為何會在感染細(xì)菌后生病?細(xì)菌通常是單細(xì)胞微生物，一個細(xì)胞即一枚細(xì)菌。一些致病菌為了在宿主體內(nèi)生存、繁殖和擴(kuò)散，會在細(xì)胞內(nèi)核糖體中制造一些蛋白類的毒力因子，并將這種蛋白分泌到細(xì)胞外。即便是非致病菌，也會為了適應(yīng)其生活環(huán)境，向外分泌一些蛋白質(zhì)。

細(xì)菌內(nèi)部的蛋白質(zhì)如何“跨膜”?這是學(xué)界一直想搞清楚的問題。近期，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員李龍、高寧團(tuán)隊合作為分泌型蛋白“跨膜”瞬間拍照，解析了蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)分子機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

信號肽做探針 分泌蛋白“掃碼上車”

“蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)是一個高度調(diào)控過程，必然存在某種機(jī)制確保細(xì)胞內(nèi)部能夠特異性地將需要分泌的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)出去。”李龍在接受科技日報記者采訪時表示。

早在上世紀(jì)70年代就有學(xué)者推測，細(xì)胞內(nèi)存在一種物質(zhì)，能夠?qū)⒋置诘牡鞍鬃R別出來，避免出現(xiàn)將不必分泌到胞外的蛋白運(yùn)出去這種烏龍事件。1972年，研究人員發(fā)現(xiàn)一些免疫球蛋白的前體比成熟體多了20個氨基酸。

1975年，德國學(xué)者布洛貝爾等人提出了信號肽假說，將這多出來的20個氨基酸稱為信號肽，如果胞內(nèi)某種蛋白質(zhì)的序列上含信號肽，就相當(dāng)于給該蛋白打上了“待轉(zhuǎn)運(yùn)”的“條形碼”，華麗變身成了分泌蛋白，隨后便會有“車輛”載著該蛋白來到細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)。隨后該蛋白通過細(xì)胞膜上的“特殊通道”，被分泌到胞外。該假說后續(xù)被一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)，布洛貝爾也因此獲得1999年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

運(yùn)送分泌蛋白的“車輛”是什么?“它在細(xì)菌里可以是一種ATP水解酶，也可以是一種蛋白質(zhì)，我們將之稱為SecA，由于它載著分泌蛋白運(yùn)動，故可看成是‘馬達(dá)蛋白’。”李龍告訴記者，信號肽與分泌蛋白有一一對應(yīng)的關(guān)系，信號肽的種類多樣，通常每種分泌蛋白都有獨(dú)特的信號肽“條形碼”。馬達(dá)蛋白卻不那么“講究”，只要是有“條形碼”的蛋白都能成為它的“乘客”，不論是哪種分泌蛋白。

細(xì)胞膜上存在一種通道蛋白SecY，它的職責(zé)是掃描被馬達(dá)蛋白運(yùn)送過來的分泌蛋白，識別成功后開啟特殊通道，放行分泌蛋白，隨后通道關(guān)閉，恢復(fù)細(xì)胞膜本來的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)。

雖然蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的大致過程已經(jīng)探明，但更深層次的疑惑仍需探究，如為何馬達(dá)蛋白能夠非特異性識別信號肽?人們發(fā)現(xiàn)的信號肽為何均存在疏水結(jié)構(gòu)?

三種蛋白“一臺戲” 相互識別有規(guī)律

李龍、高寧團(tuán)隊利用電子冷凍顯微鏡給正在“跨膜”的蛋白質(zhì)們拍了一張“照片”，回答了非特異性結(jié)合的問題。

事實(shí)上，恰好“抓拍”到蛋白質(zhì)“跨膜”的那一瞬間很難，因?yàn)檎麄€蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的過程十分迅速，1秒內(nèi)能夠完成十幾個蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，所以此前學(xué)界還沒有人拍到這種照片。此次兩個團(tuán)隊另辟蹊徑，給細(xì)胞“投喂”了ATP類似物，將轉(zhuǎn)運(yùn)過程鎖定在“跨膜”的階段，再將蛋白冷凍下來，用電鏡拍照片，將瞬間永久定格。

研究人員分析發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)蛋白能夠與分泌蛋白的主鏈通過氫鍵結(jié)合，折疊成片層結(jié)構(gòu)。而蛋白質(zhì)的種類是由其側(cè)鏈上的氨基酸序列決定的，不同分泌蛋白的主鏈序列是一致的。這就明確解釋了馬達(dá)蛋白對分泌蛋白“來者不拒”的原因。

至于信號肽的疏水結(jié)構(gòu)，李龍等人早年在《自然》雜志上發(fā)表文章，討論過這個問題。細(xì)胞膜的磷脂雙分子層本身即為疏水結(jié)構(gòu)，膜上的通道蛋白SecY能夠識別出同樣具有疏水結(jié)構(gòu)的信號肽，并將其釘扎在細(xì)胞膜上，隨后細(xì)胞內(nèi)的信號肽酶會將信號肽和分泌蛋白切割，分泌蛋白“跨膜”而出，信號肽則被降解，轉(zhuǎn)化成基本物質(zhì)氨基酸，參與到下一次的細(xì)胞活動中。

“這兩次研究相當(dāng)于兩張半圖，拼接成了一張完整的‘跨膜’圖片。”李龍說，但整個蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程并非只是一張“跨膜”瞬間的圖片就能解釋清楚的，它是個動態(tài)的過程，需要無數(shù)張圖片匯成一個動態(tài)圖像才能真實(shí)重構(gòu)出蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的真實(shí)歷程。這將是研究人員下一步的研究課題。

關(guān)鍵詞： 細(xì)菌感染 致病