Science推翻长期以来的定论:蛋白质变性全新理论

【字体: 时间:2017年03月03日 来源:生物通

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  以前的研究是基于计算分析,假定当温度超过蛋白质行驶最佳功能的狭窄温度范围时,细胞的大部分蛋白质就会变性。但是来自苏黎世联邦理工学院的研究人员推翻了这一基本理论,由ETH Zurich的Paola Picotti带领的研究组指出只有一小部分的关键蛋白质在达到一个临界温度阈值时会发生同时变性。这一研究成果公布在Science杂志上。

  

生物通报道:敲开一个鸡蛋,滑入热煎锅中,几乎立刻透明和滑溜的蛋清就变白,变硬,在这个过程中我们观察的煎鸡蛋过程,就是生活中十分常见的蛋白质变性这一重要的生化现象。

细胞中蛋白质则是线状分子,缠绕在一起组成蛋白质特异性结构:有些球形,有些是管状的,各不相同。这些结构都会在变性过程中崩解,蛋白质再次变成线状,并由于失去其功能。

刹那之间的崩解?

之前的研究是基于计算分析,假定当温度超过蛋白质行驶最佳功能的狭窄温度范围时,细胞的大部分蛋白质就会变性。比如对于肠道细菌大肠杆菌来说,最适温度大约为37℃,如果高出46°C,细菌就会死亡,因为蛋白质结构完全改变了。

但是来自苏黎世联邦理工学院的研究人员推翻了这一基本理论,由ETH Zurich的Paola Picotti带领的研究组指出只有一小部分的关键蛋白质在达到一个临界温度阈值时会发生同时变性。这一研究成果公布在Science杂志上。

最新研究中,研究人员全面分析比对了四种生物在不同温度下所有的蛋白,也就是蛋白质组。他们将大肠杆菌,人类细胞,酵母细胞和耐热细菌嗜热链球菌(T. thermophilus)逐渐升温至76°C。在每次温度增加后,研究人员都会检测细胞中存在的蛋白质并确定它们的结构特征。最终研究人员总共分析了8,000种蛋白质。

关键元件首先出现变性

Picotti说,“通过这项研究,我们发现只有少数蛋白质在细菌死亡的温度下发生了崩解。由此我们对之前关于生物体大多数蛋白质同时变性这一理论提出了质疑。”

一旦温度超出物种特异性最佳值几度,研究检测的蛋白质中有80个蛋白质发生了崩解,尽管这些蛋白质只是构成细胞蛋白质的一小部分,但这对细胞是致命的,因为这些蛋白质类型中的一些蛋白具有重要功能,或者说是一个大型蛋白质网络中的关键组成元件,也就是说是少量蛋白在这种关键时刻发生了变性。

 “一旦这些关键元件出现故障,细胞就无法继续工作,”Picotti说。


灵活性导致不稳定

生物系统的关键元件对热很敏感,初初来看这似乎是进化上的一个bug。但是这些蛋白质由于其灵活性常常导致不稳定,这也是其能在细胞中完成不同任务的原因,“灵活性和稳定性之间会相互排斥,细胞必须作出妥协。”

研究人员还发现细胞中也存在许多稳定,且不易发生异常或病理折叠的蛋白质,这从细胞的角度来看是很划算的。因为如果这些常见蛋白质发生逆转,发生错误折叠,那么细胞就不得不投入大量的能量来进行重构与处理,因此细胞中大部分的蛋白质还是要比稀少蛋白更为稳定。

但是为什么嗜热链球菌细菌即使在超过70℃的温度下也不受影响呢?研究人员解释道,这些细胞会优先稳定那些对热敏感,功能上关键的蛋白质,例如适应性蛋白质序列。

特殊用途的耐热细菌

Picotti的这一发现可用于遗传修改生物机体,帮助它们承受更高的温度。目前一些化学品,如乙醇也被用于细菌生物工程,但是这些细菌通常只能在狭窄温度范围中工作,这限制了产量。如果可以在更高的温度下进行生产,就可以优化产量而不损害细菌。

研究人员还发现,某些变性蛋白质在更高温度下会再次聚集,形成聚集体。Picotti和她的同事发现在人类细胞中,蛋白质DNMT1首先随着温度的升高而发生变性,随后又与其它类似的蛋白聚集在一起。这种和其它具有类似性质蛋白质聚集的性质与神经障碍如阿茨海默症或​​帕金森氏症有关。

第一次全面稳定性研究

这项研究是第一个大规模在复杂细胞基质中直接分析几种生物蛋白质的热稳定性的成果,这些蛋白质并没有从细胞中分离出来,也没有进行纯化,而是直接检测不同温度下细胞中的所有蛋白质。

(生物通:张迪)

原文标题:

Cell-wide analysis of protein thermal unfolding reveals determinants of thermostability

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