細胞內的變形軍團

蛋白質像剛性鍵一樣激活細胞功能，這個說法可能沒有爭議。 然而科學家們發現了大量通過變形來完成工作的蛋白質，這一發現正改變近百年內生物學領域所信奉的準則。

我們都在高中生物學裡學過：結構等同於功能。根據細胞生物學的教科書所述，蛋白質的三維形狀決定其功能——驅動化學反應，在細胞的信息高速公路上傳遞信號，或者為DNA插入分子標記。一個多世紀以來，生物學家認為執行這些功能的蛋白質就像細胞機械中的剛性嵌齒。

當然，偶有例外。一個科學家可能會碰到執行功能極其完美，卻沒有剛性結構的蛋白。大多數研究人員將這種情況歸因於實驗誤差，或者將其視為不重要的異常值。

然而最近，生物學家已經開始留意這些變形蛋白，這一發現正在破壞蛋白質的結構功能學說。

蛋白質由串聯的氨基酸鏈構成。最近的研究估計，人體內構成蛋白質的氨基酸序列中，有高達一半的序列未摺疊成明顯的形狀。（總體中的部分蛋白質是完全非結構化的，而其他則包含長的與結構化區域並列的非結構化區域。）[1]「在某種程度上，人們並沒有意識到這一數量有多大，這就是為什麼他們忽略了非結構蛋白。」在兒童醫院和多倫多大學工作的生物化學家朱莉·弗曼-凱（Julie Forman-Kay）說， 「還有一部分原因是他們不知道怎麼去看待非結構蛋白。」

這種流動性被稱為「內在紊亂」，它賦予非結構蛋白一系列結構化蛋白質所沒有的超能力。被摺疊的蛋白質傾向於牢固地結合到其目標，就像一把鑰匙契合於鎖中，只在一個或兩個點，但是它們更伸展搖擺的表親則像分子魔術貼，可以輕輕地附著於多個位點並容易釋放。這種快速附著—快速脫離的結合效應在細胞中有巨大的作用：它允許本徵結構無序蛋白（或簡稱IDP）同時或快速連續地接收和應答分子信息，進而行使細胞信息中樞的功能，整合多信號並通過開合功能來應對細胞環境的改變，並保證細胞正常運作。

研究人員才剛剛開始理解這種模式轉變將如何改變我們對細胞中進展的看法。然而，結構無序蛋白似乎在很多生物過程中都留下過足跡。過去十年中積累的證據以及細胞分裂的過程表明，結構無序蛋白通過其信號傳導能力，幫助啟動和中止DNA編碼生成蛋白質的過程。[2]結構無序蛋白同樣提供使細胞分化成身體不同組織的信號。[3]換句話說，它們可能以某種方式幫助血細胞和肌肉細胞分化。生物學家還發現許多結構無序蛋白參與神經變性疾病、癌症和其他疾病。[4]

「目前的關鍵任務是，我們需要了解這些蛋白質在生物學中如何發揮作用，」來自加州斯科瑞普斯研究所的結構生物學家彼得·賴特（Peter Wright）說。為了回應最近這些發現，一個國際研究小組發起了「人類黑暗蛋白組計劃」項目，以研究結構無序蛋白如何導致疾病。科學家們意識到自己對這些變形器的機制所知甚少。劍橋大學的分子生物學家馬丹·巴布（Madan Babu）說：「這是細胞生物學的一種重新設想。」

摺疊之外

二十多年前，賴特和他的合作者簡·戴森（Jane Dyson）首次意識到結構無序蛋白的重要性。當時，賴特實驗室的研究員理查德試圖確定被稱為p21的蛋白質的結構，這一蛋白可以幫助調節細胞分裂。理查德在實驗期間不斷遇到奇怪的結果。「你搞砸了實驗準備，再試一次。」賴特對他這麼說。然而在第三次實驗後，他們發現結果沒有差錯。單獨的p21似乎以一種無結構的形式漂浮，但是當它發現自己的結合蛋白時，則變成堅固的結構。研究人員在1996年發表了論文結果，這是科學家們首次直接挑戰蛋白質的結構功能學說。[5]

賴特開始通過科學文獻搜索更多結構無序蛋白的例子，並迅速發現了15或20個，它們都被描述為一次性的、奇怪的實驗結果。他和合作者接著開發了一個計算機程序，來繪製組成這些蛋白質的氨基酸鏈，並將他們與結構化蛋白的序列進行對比。通常，蛋白質摺疊是因為一些氨基酸極盡所能地避免與細胞中的水基流體接觸。正如油球在水中，蛋白質的疏水區域聚集在一起，而蛋白質不介意水的那部分則摺疊在它們上面。 鄧克爾（Dunker）的分析顯示，結構無序蛋白具有與結構蛋白非常不同的氨基酸序列。當他在序列蛋白質資料庫中尋找這些差異時，極大數量的無序的嫌疑蛋白脫穎而出。甚至更有趣的是，更高百分比的蛋白質序列在更複雜的生物體中是無序的——例如，細菌大腸桿菌中約20％的氨基酸是無序的，但是在人類中這個百分比是其至少兩倍。

然而，生物學家仍然不相信，結構無序蛋白做了什麼有趣的或者重要的事情。許多人反駁道，儘管蛋白質可能在人工實驗環境中不摺疊，它們在細胞中肯定會摺疊成某種形狀。即便其在自然狀態下結構無序，當遇到結合目標時，則會陷入結構化的情形，就像理查德的p21蛋白那樣。懷疑者認為任何結構無序蛋白都必須是一次性的異常值，而蛋白質經典的結構功能學說才是顛撲不破的真理。

「我們的答案是：這不是真的，」賴特說。

無結構的功能

蛋白質的結構無序沿著連續體發生。在光譜的一端是像p21這樣的蛋白質，其在與其他蛋白質接觸時摺疊。在另一端則是那些仍然癱軟和懶散，像濕麵條束一樣，從不採取任何形狀的蛋白質。研究人員仍然不知道這個範圍如何對應於它們多變的功能，但是更像一個字元串而不是像一個帶鎖孔的塊狀物意味著一個蛋白質可以與其他分子進行許多接觸，來調節驅動細胞的信號網路。 「你有所有這些開關，來應用於各種功能。」鄧克爾說。

但是即使結構無序蛋白在多細胞生物體中占基因能夠產生的蛋白質的30％至50％（取決於生物體），在任何時刻，它們僅以極少數量在細胞中存在。 2008年，巴布在他實驗室的一個研究員提出一個愚蠢的問題後發現：如果這些非摺疊的蛋白質如此常見，如果其中許多都在細胞中如意麵一樣漂浮，而不會糾纏在一起，或者通過纏結細胞中的其他分子而引起麻煩？當他們檢查了一個包含大約5000種人類蛋白質的資料庫後，他們發現大多數非結構蛋白質都是少量表達的，並且在完成工作後迅速被破壞。

巴布說，細胞嚴格地調節結構無序蛋白的產生，並確保它們迅速地被翻新，其原因是結構無序蛋白本身包含了巨大的危險。如果表達過多就會像高層管理者過剩，有太多的人施號命令，而使得生產力停止。而將這個邏輯應用到細胞，事情可能會變得醜陋：結構無序蛋白負責調節細胞不同組件之間的通訊，具有多餘的副本可能會讓它們發送出原本不該被發出的信號。 「這些蛋白質是如此危險，以至於你不能承擔不好好管理它們的後果。」巴布說。

巴布的研究首次揭示了細胞中結構無序蛋白如何被調控。第二年，西班牙巴塞羅那基因組調控中心的本·萊納（Ben Lehner）研究組發表的一篇論文則發現另一個問題：當細胞產生太多結構無序蛋白時，就會死亡。通過證明結構無序蛋白的生物學重要性，這兩篇論文將結構無序蛋白帶入科學家的視野里。理查德說：「很多生物學家開始看到結構無序蛋白是非常重要的——它們並不僅僅只是一些結構生物學家想像出來的產物。

毫不奇怪，結構無序蛋白直到最近才開始引起重視。「大多數用於研究蛋白質的方法都會錯過它們……這就像在燈罩下尋找鑰匙的經典範例。」巴布說。

20世紀60年代，研究人員開發出蛋白質晶體學技術，它是確定蛋白結構最流行的方法。蛋白晶體學涉及分離出純蛋白樣品，使蛋白質成為結晶，然後拍攝晶體的X射線並繪製出光線在何處反射的路徑。因為結構無序蛋白沒有固定的形狀，它們並不會結晶。這使得研究人員忽略了完全無序的蛋白質，或者說找到了剔除無序蛋白的方法。來自加利福尼亞大學伯克利分校的詹姆斯·赫利（James Hurley）說：「大多數晶體學家，包括我自己，都認為這東西是垃圾，是你為了獲得晶體必須擺脫的東西。我們至多認為它們是連接有趣位點的接頭。」

對他而言轉折點發生在五年前，一位同事通過數據向他證明，一些無序的蛋白質可能形成懸浮在細胞液中的液滴。研究人員仍然不知道這個過程發生的確切方式或原因，但有人推測它會將分子帶到一起用於信號傳導。 「在那一刻，我意識到它們的重要性。」赫利說。

赫利擅長的研究領域是自噬，一種分子自殺的形式，它是2016年諾貝爾生理學或醫學獎的主題。在過去幾年中，他和其他人發現兩種結構無序蛋白幫助啟動了自噬的過程。赫利推測這些結構無序區域的作用就像一個弱的膠水，創造恰到好處的粘合力，來聚集自噬所需的分子組分。

當他們繼續探索結構無序蛋白在細胞內的作用時，研究人員也在尋找研究結構無序蛋白如何工作的基本問題。如果一個蛋白同時具有無序和有序區域，那麼這兩個區域如何相互作用？結構無序蛋白的進化與摺疊蛋白的進化有何不同？此外，分子如何弄清楚到底結合在無序蛋白的哪一段？賴特認為，儘管在過去五年中計算機分析和用於探測結構無序蛋白的實驗室工具已有所改進，但在活細胞中直接研究它們仍然是一個挑戰。

研究人員還希望探索結構無序蛋白如何導致疾病。大多數藥物被設計成通過阻斷重要位點的方式來干擾特定的疾病通路。但研究人員才剛剛開始瞄準結構無序蛋白。

參考

1. D2P2: database of disordered protein predictions. Nucleic Acids Res 2013; 41 (D1): D508-D516. doi: 10.1093/nar/gks1226.

2. Malleable machines take shape in eukaryotic transcriptional regulation, Nature Chemical Biology 4, 728 - 737 (2008), doi:10.1038/nchembio.127.

3. Tissue-Specific Splicing of Disordered Segments that Embed Binding Motifs Rewires Protein Interaction Networks, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.molcel.2012.05.039.

4. The contribution of intrinsically disordered regions to protein function, cellular complexity, and human disease, Biochem Soc Trans. 2016 Oct 15; 44(5): 1185–1200, doi: 10.1042/BST20160172.

5. Structural studies of p2lWa1CiPl/Sdil in the free and Cdk2-boundstate: Conformational disorder mediates binding diversity, Structural studies of p21Waf1/Cip1/Sdi1 in the free and Cdk2-bound state: conformational disorder mediates binding diversity

來源：Quanta Magazine 作者：Alla Katsnelson

翻譯：D 校對：EON 封面：Ricardo Bessa