朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2018年第12期第12頁）

3.9 Prion 型的纖維蛋白發(fā)出降解自己的信號Prion 型的蛋白結構，由于自身結構的特殊性，還可用于輸出信號。例如血管受損時，血液會從血管破裂處流出，如果沒有機制阻止此過程，就會造成持續(xù)出血。生物采取的辦法是形成血塊，堵住破損處。這主要是由纖維蛋白（fibrin）實現(xiàn)的。

纖維蛋白平時以纖維蛋白原（plasminogen）的形式在血液中存在。當有組織傷害時，纖維蛋白原被凝血酶（thrombin，又稱為纖維蛋白酶）轉化為纖維蛋白。纖維蛋白分子聚合成鏈，并與凝血因子XIIIa（blood factor XIIIa）交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結構，包裹血細胞和血小板，形成血塊，堵住血管破損處。

但是血管內也不能只生成血塊，而在傷口恢復后不加溶化。血塊是具有危險性的結構，一旦脫落會造成血管栓塞，導致嚴重后果。而溶解血塊的信號正是由Prion 型的纖維蛋白發(fā)出的。纖維蛋白在聚合形成血塊時，分子結構改變不大，含有α－螺旋和β－折疊2種結構，但是隨著血塊的“老化”，纖維蛋白逐漸轉變?yōu)镻rion 型的結構，能結合硫黃素T。這個結構能被“組織特異性纖維蛋白溶酶原活化物”（tissue-type plasminogen activator，tPA）所識別。tPA 是一種蛋白酶，在與Prion 型的結構結合后被活化，活化的tPA 將纖維蛋白溶酶原轉變?yōu)槔w維蛋白酶（plasmin）。纖維蛋白酶就能降解纖維蛋白，將血塊溶化。

因此，Prion 型的蛋白結構本身也是一種信息，可被生物所識別利用。血液中的組織特異性纖維蛋白溶酶原活化物tPA 是識別這種結構的受體，并以活化纖維蛋白酶的方式作出反應。

3.10 細胞的程序性壞死需要Prion 型的結構傳遞信息 動物體內的細胞有2種死亡方式，被動的和主動的。機械傷害及病毒在細胞內的大量繁殖，都會造成細胞被動破裂。細胞的內容物，包括溶酶體的水解酶被釋放到細胞外，引起組織破壞和炎癥，稱為細胞壞死（necrosis）。在形態(tài)學上表現(xiàn)為細胞膜破裂、細胞內容物釋放的一類細胞死亡方式。歷史上，細胞壞死曾被認為是細胞在不良外界因素（包括物理性因子、化學性因子及病理性因子等）的損傷下發(fā)生的被動死亡事件。但研究表明，許多形式的細胞壞死也是在細胞自身基因編程控制下自主有序進行的，也屬于程序性細胞死亡的范疇。

細胞壞死是細胞最壞的死亡方式，因此，生物也發(fā)展出了讓細胞主動死亡，但后果不那么有害的方式，這就是細胞的程序性死亡 （programmed cell death）。歷史上曾有人將程序性細胞死亡等同于細胞凋亡（apoptosis）。在細胞不再被需要（例如蝌蚪在變青蛙時尾巴的細胞必須消失）、受到病毒侵害，或已經不可再被修復時，生物會主動讓細胞死亡，這樣不僅可減少病毒在細胞內繁殖的時間，而且程序性的細胞死亡還可通過對周圍組織無害的方式讓細胞死亡，例如將細胞內的DNA 切成碎片，蛋白質降解，并將細胞這樣形成的內容物“打包”，形成很多由膜包裹的小囊，被周圍的細胞吞食掉。這樣就避免了細胞內容物外泄所造成的組織傷害。

細胞的程序性死亡主要是由一類被稱為“胱天酶”（cysteine-aspartic protease，caspase）的蛋白執(zhí)行的。之所以稱為胱天酶，是因為這類蛋白酶的催化反應中心含有半胱氨酸殘基，且在其他蛋白肽鏈中的天冬氨酸殘基處將肽鏈切斷，因此與其他蛋白酶不同，是細胞程序性死亡專用的酶。人類有10種以上胱天酶，在細胞程序性死亡的不同階段起作用。細胞的程序性死亡涉及極為復雜的信號傳遞過程，本文只介紹其中的關鍵步驟。

胱天酶8（Caspase8）負責接收細胞外的死亡指令，啟動死亡程序的“上游”。例如身體向腫瘤細胞發(fā)出死亡信號，即讓腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）結合到腫瘤細胞表面的TNF受體上，受體結合TNF 后，通過一個“死亡分子”（Tumor necrosis factor receptor type 1-associated DEATH domain protein，TRADD）活化另一個蛋白分子RIP1（receptor-interacting protein 1）。RIP1又可以活化胱天酶8，從而啟動細胞死亡的程序。

雖然細胞的程序性死亡是最“理想”的細胞死亡方式，但在有的情況下此路不通，例如病毒抑制了胱天酶的活性。為了繞過胱天酶這條死亡路線，細胞改用在細胞膜上“打洞”的方法讓細胞死亡。這時活化的RIP1蛋白和一個與它非常相似的蛋白RIP3結合。由于RIP1和RIP3都有蛋白激酶（在其他蛋白分子上加上磷酸根）活性，它們相互使對方磷酸化。這2個分子的磷酸化使得它們形成聚合物。此聚合物可被硫黃素T 染色，染色后熒光強度增加，發(fā)射峰移至485nm；也結合剛果紅，并將剛果紅的吸收峰從470nm 移至540nm。這些結果都說明，由RIP1和RIP3形成的聚合物具有Prion 型的結構特征。

而這樣Prion 型的結構就具有傳遞信號的能力。它能使蛋白MLKL（mixed lineage linase domainlike）磷酸化。磷酸化的MLKL 能彼此聚合，在細胞膜上形成孔洞，使細胞內容物外泄，造成細胞死亡。細胞的這種死亡方式類似于細胞壞死（例如都讓細胞內容物外泄），但又是程序控制的，目的是讓細胞快速死亡，因此被稱為細胞的“程序性壞死”（necroptosis），而Prion 型的蛋白結構在細胞的程序性壞死中的作用不可或缺。

3.11 椰汁中的殺菌肽形成Prion 型的結構 椰汁，即椰子（Coco nucifera）果實中的液體部分，含有一種具有殺菌功能的肽鏈，稱為椰汁殺菌肽（cn-AMP2）。此肽鏈只含有11個氨基酸殘基，且肽鏈會聚合，其結構能結合剛果紅和硫黃素T，并表現(xiàn)Prion 型蛋白結合這2種染料后的光線性質，說明cn-AMP2的聚合物具有Prion 型的結構。

檢查這條肽鏈的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)其中并不含有酵母Prion 功能域中所富含的谷氨酰胺和天冬酰胺，說明其他氨基酸序列也能形成Prion 型的結構。這條肽鏈的殺菌功能也許與引起老年癡呆癥的Ab 肽鏈一樣，也是以其低聚物的形態(tài)使細胞死亡的。

3.12 真菌使用Prion 型蛋白HET-s 使入侵的真菌細胞死亡 與動物用Prion 型的蛋白傳遞信息，導致細胞程序性死亡類似，真菌也利用Prion 型的蛋白實現(xiàn)細胞的程序性壞死。

不同株的柄孢霉（Podospora anserina）的菌絲有時可相互融合，一起生長，有時卻彼此不相容，一旦不同株的菌絲彼此融合，就會造成一種菌絲的死亡，稱為“異核體不相容”（heterokaryon incompatibility），其目的是防止同種寄生（一種生物個體寄生在同種的另一個生物個體上），以及防止被另一種個體中所含的病毒所感染。研究發(fā)現(xiàn)，造成這種不相容現(xiàn)象是一個稱為het的基因（het 是異核體不相容英文名稱的前3個字母）。2個不相容的柄孢霉所含的het基因有微小差別，生成的蛋白也有些許差別，分別稱為HET-S 和HET-s（大寫字母表示蛋白質，斜體小寫表示基因）。

HET-S 和HET-s 都由289個氨基酸殘基組成，但有13個氨基酸殘基不同，其中最重要的是第33位的氨基酸，在HET-S 蛋白中是組氨酸，而在HET-s 中變成了脯氨酸。這2種蛋白都含有類似的氨基端和羧基端。其中羧基端含有2個由21個氨基酸殘基組成的重復序列，能轉變成為橫向β-折疊，使分子形成聚合物。這樣的結構能結合剛果紅，并在偏振光顯微鏡上呈現(xiàn)蘋果綠色的雙折射現(xiàn)象，也結合硫黃素T，證明這樣的聚合物具有Prion 型的結構。

HET-S 蛋白在羧基端變?yōu)镻rion 型結構時，也改變自身的結構，分子移動到細胞膜，在細胞膜上形成孔洞，使細胞內容物外泄，造成細胞死亡。因此在HET-S 型的菌株中，HET-S 蛋白是不能以Prion 型的結構存在的，因為這會造成細胞的死亡。但是在HET-s 蛋白中，第33位氨基酸殘基的改變使它失去在細胞膜上穿孔的能力，所以即使蛋白變成為Prion 型的結構，細胞仍然能生存。出于此原因，90%的HET-s 菌株中，HET-s 蛋白都是以Prion 型的結構存在的。

當HET-S 菌株的菌絲與HET-s 菌株的菌絲融合時，處于Prion 型結構的HET-s 蛋白能使HET-S 蛋白的羧基端也變?yōu)镻rion 型的結構。這個改變使HET-S 蛋白獲得了在細胞膜上穿孔的能力，使得HET-S 的菌絲死亡。

有趣的是，HET-S/s 蛋白羧基端中的21殘基重復序列和RIP1/3分子中形成Prion 型結構的功能域是同源的，即它們含有一些共同的氨基酸序列，因此可能來自共同的祖先。而HET-S 的氨基端又與RIP1/3的效應分子MLKL 有共同的氨基酸序列，所以這2個能在膜上穿孔的蛋白功能域也可能有共同的起源。這說明這類Prion 蛋白的功能域出現(xiàn)的時間非常早，在真菌和動物這兩大類生物分開之前就出現(xiàn)了。但動物細胞的結構比真菌細胞復雜得多，其調控機制也相應復雜得多。在動物中，RIP1/RIP3S 是通過MLKL 這個效應分子在細胞膜上穿孔的，而羧基端變成Prion 型結構的HET-S 本身就是效應分子，直接在細胞膜上穿孔。

這2類蛋白的Prion 功能域與酵母的Prion 的功能域不同，并不富含谷氨酰胺殘基，說明它們與酵母的Prion 蛋白有不同的來源。

4 小結

從本文介紹的內容可以看出，蛋白的肽鏈要折疊成為適合其功能狀態(tài)的結構是一個非常精細和脆弱的過程。由于肽鏈不同折疊形式之間能量障礙非常小，許多微小的因素都能使肽鏈從一種折疊狀況轉變?yōu)榱硪环N折疊狀況。盡管演化過程已對肽鏈中的氨基酸序列進行了“優(yōu)化”，盡量避免會形成Prion結構的氨基酸序列，但由于基因突變所引起的氨基酸殘基的改變是不可避免的，也是不能預期的，總會有基因突變使得蛋白易于折疊成為Prion型的結構，導致各種淀粉樣變性病。盡管生物發(fā)展出了各種預防機制，以應對蛋白可能出現(xiàn)的折疊錯誤，包括發(fā)展出伴侶蛋白，以及消滅折疊錯誤的蛋白的機制，但這樣的機制也不能做到100%有效，且隨著生物年齡增長也會降低效能。因此，由蛋白折疊錯誤而引起的疾病不能被完全避免。

另一方面，Prion 型的蛋白結構由于其穩(wěn)定性和結構特點，又可以被用于執(zhí)行一些正常的，甚至是非常重要的生理功能，包括形成功能性結構、儲存、記憶、作為模板，以及信息傳遞等。這些功能已成為生物生命活動不可或缺的部分，演化過程中也不會消除它們。因此，生物所面對的是一種兩難的境地： 一方面要盡量減少肽鏈折疊錯誤所引起的負面后果，另一方面又要保留那些有正面作用的折疊“異?！薄Ｈ欢?，生物的演化并沒有“設計者”事先規(guī)定如何處理每一種折疊異常的情況，只能通過這些折疊變化所引起的后果確定淘汰或保留這些變化，就像本文中所看到的這樣。

（完）