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文章来源 科学网朱钦士的博客 2018-2-21 09:44 发现酵母中存在传染性蛋白早于疯牛病的报道。1965年，英国科学家Brian Cox发现，在出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）的一个突变种中，细胞对转译终止码的识别出了问题，肽链合成mRNA到了转译终止码（UAG和UAA）时，其转译过程并不停止，而是继续进行，好像核糖体对终止码“视而不见”。 究其原因，其中与腺嘌呤合成有关的一个基团发生了突变（ade2-1基因突变），在编码序列中提前出现一个终止码，不能合成完整的蛋白酶。由于缺失这个酶功能，腺嘌呤合成过程中的中间产物就在细胞中聚集起来，使得菌斑成为红色。这个突变型酵母必须从培养液中获得腺嘌呤才能生长，而有终止码的酵母会能生产出完整的酶，菌斑为白色，在培养基中也不用加腺嘌呤。 这个终止码识别缺失的特性可以遗传，它能使后代的所有酵母都有这个特性。按照分子生物学经典理论，负责某一性状遗传的应该是某个问题基因，即通过DNA遗传，而且是显性（dominant）遗传。据此，在两份基因中只要有一份基因突变，后代就可以获得突变引起的性状。Cox把酵母的这个性状用希腊字母ψ标记（读psi）。然而，对遗传方式的研究结果却与预期的不符，例如，把变种与正常的酵母杂交，后代应该是一部分有终止码识别问题，一部分没有，但结果是杂交的所有后代都没有终止码识别问题，好像这个突变基因变成了隐性的，即需要两份基因都发生突变才能表现出突变性状。酵母的这个性状遗传方式与经典的孟德尔遗传方式不同，叫做非孟德尔型遗传（non-Mendelian heredity）。 这个现象使科学家困惑了几十年。1994年，美国科学家ReedB. Wickner从传染性蛋白致病的角度启发，发现了酵母的另一个性状，即在氮源利用上的机制变化，也是由传染性蛋白控制和遗传的（见下文），由此开启了酵母传染性蛋白的研究。之后在1996年，美国SusanLindquist等人证明了酵母的ψ性状也是通过传染性蛋白遗传的，他们用符号 [PST+] 表示这个性状（大写和“+”表示显性，括弧表示非孟德尔型遗传），对于没有ψ性状的酵母，相应用 [pst-] 表示。 这个遗传不是通过DNA，而是通过细胞质完成的。起遗传作用的是一个叫做Sup35的蛋白质改变折叠方式，变成了Prion型的结构。在正常酵母细胞中，Sup35是水溶性的，它和另一个蛋白Sup45一起识别mRNA上的转译终止码并将合成完的肽链从核糖体上解离下来。Sup35改变折叠方式形成的聚合物能够结合刚果红，圆二色性（CD）测定证明其中含大量的b-折叠。它像PrPsc能把PrPc改变成自己的结构一样，也能够把水溶性的Sup35改变成不溶于水的聚合物。Sup35都转变成为聚合物就失去了原有的功能，使细胞不再能够识别转译终止码。这种效果相当于基因突变引出的结果。 将提纯的Sup35蛋白在体外变为聚合物，再引入 [psi-] 型的酵母，可以把 [psi-] 型的酵母变为[PST+] 型的酵母。当 [PSI+] 型的酵母和[pst-] 型的酵母杂交时，[PSI+] 细胞中的Sup35聚合物还会把[psi-] 型酵母中的可溶性Sup35变为聚合物。不仅如此，酵母细胞中的热休克蛋白Hsp104还能够将这些聚合物分为小块，在细胞繁殖时进入每一个后代细胞。这些都体现了Sup35蛋白的Prion形式不仅具有传染性（以可溶性Sup35蛋白为原料自我复制），而且具有遗传性，这个遗传又总是“显性”的。 前面提到的酵母的另一个传染性蛋白是调节细胞氮代谢蛋白Ure2p。在有优质氮源（例如氨和谷氨酰胺）时，Ure2p能够抑制另一个蛋白Gln3p的作用，使得细胞在有优质氮源的情况下不使用低质量的氮源。当Ure2p变成Prion形式，即变为没有正常功能的蛋白时，相当于是对Gln3p的抑制解除，细胞就可以在有优质氮源的情况下也使用低质量的氮源。酵母的这种状态被称为 [URE3] 。 与Sup35蛋白和ApoA-I蛋白类似，Ure2p蛋白的氨基端也很容易改变折叠状况，形成Prion蛋白那样的b-折叠结构。提取Ure2p片段（残基1-65），在试管中可以迅速形成小纤维。这些小纤维能够被刚果红染色，在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射。酵母中形成的小纤维也能够使全长的Ure2p蛋白改变折叠状况，形成更粗的小纤维，这说明这个结构能够复制自己。 除了Sup35和Ure2p蛋白，酵母的其它一些蛋白也可以转变为Prion型的结构，例如转录调节因子Mot3（modulator of transcription）可以形成[MOT3+]，修改酵母转移RNA（tRNA）的蛋白Mod5（tRNAmodification）可以形成 [MOD+]。这些蛋白折叠方式的改变带来酵母性状的改变。 检查酵母传染性蛋白的氨基酸序列，发现容易形成Prion型结构的功能域含有比较多的谷氨酰胺和天冬酰胺残基，少有带电的氨基酸侧链。将功能域中的氨基酸序列打乱，随机排列，功能域仍然具有形成Prion型结构的能力，这说明不是氨基酸序列、而是氨基酸组成决定了一段肽链是否形成Prion型结构。造成人类杭廷顿氏症的Huntingtin基因，就是增加了很多CAG重复序列。 富含谷氨酰胺和天冬酰胺代表了一部分传染性蛋白的功能域的特点，可以用来搜寻其它蛋白中类似的功能域。2017年，美国科学家Ann Hochschild基于此思想指导，用酵母的传染性蛋白为模板，去搜寻约6万个细菌的基因组，发现肉毒杆菌（Clostridium botulinum）的r（读音Rho）蛋白含有这样的功能域（残基74-141）。 Rho（ r）蛋白类似酵母的Sup35蛋白，也是负责终止基因表达的蛋白。r蛋白以六聚体的形式结合在新合成的mRNA分子上，停止转录并且释放新合成的mRNA分子。 从理论上讲，Rho蛋白变成Prion型的结构后，它终止转录过程的功能应该消失。为此，Hochschild利用在大肠杆菌中的基因表达系统，将Rho的Prion功能域与大肠杆菌Rho蛋白的羧基端连接在一起，观察“报告基因”（受某个启动子操控，表达产物容易检测的基因）的表达，发现大肠杆菌存在基因高表达的状态和基因低表达状态。提取的Rho蛋白检测，表明低表达细菌中的Rho处于聚合物状态，而细菌高表达的Rho蛋白处于可溶状态。 不仅如此，两种表达状态不同的大肠杆菌还能以低概率相互转化，说明Rho蛋白可以在聚合状态和可溶状态之间相互转化。聚集状态可以长期在大肠杆菌中维持，在传120代之后仍然保持聚集状态，说明细菌的Rho蛋白不仅具有传染性，而且和酵母一样有遗传性。 传染性蛋白在细菌中被发现，说明形成Prion型结构的蛋白功能域出现的时间非常之早，在原核生物和真核生物分开之前就发生了。传染性蛋白改变折叠方式，进而聚合而丧失功能，也许是微生物适应严酷环境的一种方式。从这些蛋白质的传染性（复制自己的结构）和遗传性（聚合物形式传给后代）这两个方面来看，蛋白质里面储存的信息是可以被输出的。蛋白肽链的折叠出现错误，形成Prion型的横向b-折叠结构，进而聚集形成淀粉样沉积，是一种广泛存在、不可避免的现象，生物既然选择了用氨基酸组建蛋白质，就无法避免折叠出现错误。 |
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