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上海酶聯(lián)生物研究所
上海酶聯(lián)生物研究所
閱讀：472發(fā)布時間：2012-9-25
來自德國拜羅伊特大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)一項新研究揭示了一種科學(xué)家們曾經(jīng)認(rèn)為不可能的機制：蛋白質(zhì)通過展開（unfold）自身，再折疊形成全新的形狀獲取了全新的功能。這一研究發(fā)現(xiàn)在線發(fā)表在7月20日的《細(xì)胞》（Cell）雜志上。這種稱作RfaH的蛋白可激活基因，使細(xì)菌細(xì)胞對它們的宿主發(fā)起成功的攻擊，引發(fā)疾病。研究人員確定RfaH開始是alpha形狀，由兩個螺旋形構(gòu)成。隨后，變?yōu)榱祟愃栖囕喩陷嗇S的beta形狀。當(dāng)RfaH再折疊時，它獲取了全新的功能。這是研究人員沒有預(yù)料到的另一個發(fā)現(xiàn)。研究的主要作者、俄亥俄州立大學(xué)微生物學(xué)教授Irina Artsimovitch 說：“我們發(fā)現(xiàn)RfaH再折疊，就已經(jīng)是一件了不起的事情。你會認(rèn)為這是不可能的。這是在學(xué)校里告訴你的。然而在這一情況下，甚至超越了它。因為我們證實當(dāng)RfaH再折疊時，它獲得了全新的功能。它能做到從前不能做的事情。“
盡管這一過程在很短的時間內(nèi)發(fā)生，Artsimovitch將這種再折疊比喻為“有一件針織衫，你可以拆開，然后以一種不同的方式再將其編織為一件針織衫。”這些發(fā)現(xiàn)對于研究基因表達(dá)調(diào)控和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有重要的意義。這種驚人的再折疊能力表明RfaH和相似的蛋白或許能夠以多種方式結(jié)合從前未曾考慮過的其他分子。從事蛋白質(zhì)設(shè)計的科學(xué)家們有可能獲得一種全新的步驟添加到他們的模型中?，F(xiàn)在*由*的alpha結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閎eta結(jié)構(gòu)的例子得到了證實，研究人員將獲得很好的機會發(fā)現(xiàn)可以做同樣事情的其他蛋白。尤其是，這些結(jié)果使人聯(lián)想到了朊蛋白，一種引起人類和哺乳動物致命性腦疾病的傳染原。朊蛋白從無害的alpha形式再折疊轉(zhuǎn)變?yōu)閭魅拘缘腷eta形式，啟動了一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)導(dǎo)致大的朊蛋白聚集，這是引起瘋牛病的致病因素。
所有的蛋白都會折疊為由DNA序列決定的形狀，在一個細(xì)胞中擁有一種功能。例如，一些包括RfaH在內(nèi)的蛋白會開啟基因的表達(dá)，這通常就是故事的結(jié)束。近期Artsimovitch和同事們證實RfaH縮小了RNA聚合酶中一個關(guān)鍵的缺口，使得其能夠緊抓住DNA，啟動基因激活，即轉(zhuǎn)錄過程。RNA聚合酶可通過將其自身環(huán)繞在雙鏈DNA外圍，利用一條鏈匹配核苷酸，生成RNA拷貝，負(fù)責(zé)設(shè)置所有細(xì)胞中基因表達(dá)激活。然而研究人員觀察到當(dāng)RfaH結(jié)合到DNA和RNA聚合酶上時，它分開了兩半，一部分結(jié)合酶，另一部分緊握住由少量氨基酸組成的一條鏈。然后它再折疊成了一種*不同的形狀。新研究工作顯示再折疊使得RfaH能夠參與到基因表達(dá)中另一個*不同的步驟——翻譯。在翻譯過程中，核糖體與mRNA相結(jié)合，利用它的指令選擇氨基酸，然后將它們連接成鏈，氨基酸鏈隨后折疊組成蛋白，基因表達(dá)的zui后產(chǎn)物。你擁有的對轉(zhuǎn)錄起作用的因子和對翻譯起作用的因子，它們通常是不一樣的，”Artsimovitch說。很久以前研究就確定了RfaH是一種轉(zhuǎn)錄因子，且這種功能是普遍保守的，即這種作用存在于所有活生物體中，并可代代相傳。
而新研究表明RfaH作為翻譯因子效力更強，其比作為轉(zhuǎn)錄因子時強大約100倍。Artsimovitch說在翻譯過程中RfaH有更強的效力，因為它在mRNA缺乏足夠信息讓核糖體完成蛋白質(zhì)構(gòu)建時能夠招募核糖體分子。Artsimovitch 說：“通常，核糖體會結(jié)合到一種特定的序列上。如果沒有序列，它會不知道去何處結(jié)合。我們認(rèn)為核糖體不識別序列時，轉(zhuǎn)而識別RfaH而啟動了翻譯。這就是我們準(zhǔn)備現(xiàn)在研究的，它*是。”“一旦再折疊，RfaH能夠與核糖體發(fā)生互作。這真是一個非常聰明的方法。這個小小的蛋白，它可以同時結(jié)合RNA聚合酶和核糖體上，將它們連結(jié)在一起。”Artsimovitch和同事們實際上早在幾年前就提出了RfaH再折疊，因為他們觀察到了與預(yù)期不同的結(jié)構(gòu)。然而RfaH序列會在硅片上通過計算機模擬折疊成“正確”的形狀。文章的*作者、拜羅伊特大學(xué)的科學(xué)家Paul Rösch利用高科技核磁共振成像檢測了這一想法。他的試驗時發(fā)現(xiàn)RfaH確實可以折疊成兩種不同的狀態(tài)。這兩個實驗室隨后展開合作著手研究確定RfaH再折疊的功能意義。Artsimovitch一直以來都利用大腸桿菌作為這些研究的模型系統(tǒng)。在這些細(xì)胞中，RfaH蛋白是一種可使細(xì)菌具備感染和致病能力的致病因子。盡管在本研究中沒有強調(diào)這一作用，Artsimovitch解釋說它表明這種特殊的蛋白具有一些特殊的性質(zhì)是有道理的?？刂萍?xì)菌毒力的基因通常翻譯效率極低，因此，它們需要專門的蛋白質(zhì)來幫助它們表達(dá)。如果RfaH不能再折疊實現(xiàn)翻譯，某些基因就不能表達(dá)，在野生環(huán)境中，這些細(xì)菌則無法生存。研究人員發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分離，觸發(fā)了再折疊。他們通過實驗再現(xiàn)了這一事件。但是他們還沒有確定是什么地使得分離發(fā)生，他們正在設(shè)計模型進(jìn)一步調(diào)查再折疊過程。“此處存在一個大問題：RfaH是如何知道何時開始結(jié)合信息招募核糖體的?我們可以說核糖體知道何處開始，但它如何知道，我們還不清楚，”Artsimovitch說。
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