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導讀:以前的研究是基于計算分析,假定當溫度超過(guò)蛋白質(zhì)行駛*功能的狹窄溫度范圍時(shí),細胞的大部分蛋白質(zhì)就會(huì )變性。但是來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員否定了這一基本理論,由ETH Zurich的Paola Picotti帶領(lǐng)的研究組指出只有一小部分的關(guān)鍵蛋白質(zhì)在達到一個(gè)臨界溫度閾值時(shí)會(huì )發(fā)生同時(shí)變性。
敲開(kāi)一個(gè)雞蛋,滑入熱煎鍋中,幾乎立刻透明和滑溜的蛋清就變白,變硬,在這個(gè)過(guò)程中我們觀(guān)察的煎雞蛋過(guò)程,就是生活中十分常見(jiàn)的蛋白質(zhì)變性這一重要的生化現象。
細胞中蛋白質(zhì)則是線(xiàn)狀分子,纏繞在一起組成蛋白質(zhì)特異性結構:有些球形,有些是管狀的,各不相同。這些結構都會(huì )在變性過(guò)程中崩解,蛋白質(zhì)再次變成線(xiàn)狀,并由于失去其功能。
剎那之間的崩解
之前的研究是基于計算分析,假定當溫度超過(guò)蛋白質(zhì)行駛*功能的狹窄溫度范圍時(shí),細胞的大部分蛋白質(zhì)就會(huì )變性。比如對于腸道細菌大腸桿菌來(lái)說(shuō),zui適溫度大約為37℃,如果高出46°C,細菌就會(huì )死亡,因為蛋白質(zhì)結構*改變了。
但是來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員否定了這一基本理論,由ETH Zurich的Paola Picotti帶領(lǐng)的研究組指出只有一小部分的關(guān)鍵蛋白質(zhì)在達到一個(gè)臨界溫度閾值時(shí)會(huì )發(fā)生同時(shí)變性。這一研究成果公布在Science雜志上。
研究中,研究人員全面分析比對了四種生物在不同溫度下所有的蛋白,也就是蛋白質(zhì)組。他們將大腸桿菌,人類(lèi)細胞,酵母細胞和耐熱細菌嗜熱鏈球菌(T. thermophilus)逐漸升溫至76°C。在每次溫度增加后,研究人員都會(huì )檢測細胞中存在的蛋白質(zhì)并確定它們的結構特征。zui終研究人員總共分析了8,000種蛋白質(zhì)。
關(guān)鍵元件首先出現變性
Picotti說(shuō),“通過(guò)這項研究,我們發(fā)現只有少數蛋白質(zhì)在細菌死亡的溫度下發(fā)生了崩解。由此我們對之前關(guān)于生物體大多數蛋白質(zhì)同時(shí)變性這一理論提出了質(zhì)疑。”
一旦溫度超出物種特異性*值幾度,研究檢測的蛋白質(zhì)中有80個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生了崩解,盡管這些蛋白質(zhì)只是構成細胞蛋白質(zhì)的一小部分,但這對細胞是致命的,因為這些蛋白質(zhì)類(lèi)型中的一些蛋白具有重要功能,或者說(shuō)是一個(gè)大型蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵組成元件,也就是說(shuō)是少量蛋白在這種關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)生了變性。
“一旦這些關(guān)鍵元件出現故障,細胞就無(wú)法繼續工作,”Picotti說(shuō)。
靈活性導致不穩定
生物系統的關(guān)鍵元件對熱很敏感,初初來(lái)看這似乎是進(jìn)化上的一個(gè)bug。但是這些蛋白質(zhì)由于其靈活性常常導致不穩定,這也是其能在細胞中完成不同任務(wù)的原因,“靈活性和穩定性之間會(huì )相互排斥,細胞必須作出妥協(xié)。”
研究人員還發(fā)現細胞中也存在許多穩定,且不易發(fā)生異?;虿±碚郫B的蛋白質(zhì),這從細胞的角度來(lái)看是很劃算的。因為如果這些常見(jiàn)蛋白質(zhì)發(fā)生逆轉,發(fā)生錯誤折疊,那么細胞就不得不投入大量的能量來(lái)進(jìn)行重構與處理,因此細胞中大部分的蛋白質(zhì)還是要比蛋白更為穩定。
但是為什么嗜熱鏈球菌細菌即使在超過(guò)70℃的溫度下也不受影響呢?研究人員解釋道,這些細胞會(huì )優(yōu)先穩定那些對熱敏感,功能上關(guān)鍵的蛋白質(zhì),例如適應性蛋白質(zhì)序列。
特殊用途的耐熱細菌
Picotti的這一發(fā)現可用于遺傳修改生物機體,幫助它們承受更高的溫度。目前一些化學(xué)品,如乙醇也被用于細菌生物工程,但是這些細菌通常只能在狹窄溫度范圍中工作,這限制了產(chǎn)量。如果可以在更高的溫度下進(jìn)行生產(chǎn),就可以?xún)?yōu)化產(chǎn)量而不損害細菌。
研究人員還發(fā)現,某些變性蛋白質(zhì)在更高溫度下會(huì )再次聚集,形成聚集體。Picotti和她的同事發(fā)現在人類(lèi)細胞中,蛋白質(zhì)DNMT1首先隨著(zhù)溫度的升高而發(fā)生變性,隨后又與其它類(lèi)似的蛋白聚集在一起。這種和其它具有類(lèi)似性質(zhì)蛋白質(zhì)聚集的性質(zhì)與神經(jīng)障礙如阿茨海默癥或帕金森氏癥有關(guān)。
*次全面穩定性研究
這項研究是*個(gè)大規模在復雜細胞基質(zhì)中直接分析幾種生物蛋白質(zhì)的熱穩定性的成果,這些蛋白質(zhì)并沒(méi)有從細胞中分離出來(lái),也沒(méi)有進(jìn)行純化,而是直接檢測不同溫度下細胞中的所有蛋白質(zhì)。