細胞如何被熱死的？蛋白質動態特性研究

那些隨溫度上升而解體的蛋白是關鍵。

當溫度上升到某個閾值，細胞開始衰竭並死亡。對於這種現象的最直觀解釋就是：對我們十分關鍵的蛋白質對熱的耐受性有限。蛋白質負責幫助生物從食物和陽光中獲取能量、組建免疫機能、降解代謝廢物等，簡直就是生物界的樂高，而對應功能模塊的蛋白質具備不同的優美結構。一般的蛋白質以長鏈的形式，堆疊成螺旋結構、以組裝的配置形成對應的蛋白質鏈式形態。而蛋白質的形態則與蛋白質對應的功能呈現出強關聯性。當溫度開始上升，蛋白質骨架開始斷裂，首先是耐熱性最弱的關節，接著是更強的，最後完全分解。蛋白質結構被熱破壞看來是最為致命的關鍵，而整個細胞結構有是如何被破壞的呢？

蘇黎世聯邦理工學院的生物物理學家通過對四種生物體內的蛋白質狀態隨溫度上升的變化進行觀測，積累了大量的數據，相關的研究成果也發表在今年2月的《Science》上。實驗發現，在一定的溫度下，無論是人類還是大腸桿菌的部分細胞中有一部分關鍵蛋白的解體，便會導致細胞死亡。同時，細胞內某種蛋白質的含量也與蛋白質穩定性有關。相關的結果能夠為蛋白質維護和管理提供一定的依據，而其中的規律已經遠遠超過單純的結論：熱死的細胞歸因於蛋白質解體。

Paola Picotti是該項目的發起人，他解釋道這項實驗解釋了一個古老而棘手的問題：為什麼一些細胞能夠在高溫環境生存，而其餘的熟了。Thermus thermophilus(一種嗜熱細菌)喜歡生活在溫泉中，甚至在一些家用的熱水器中也有發現，而大腸桿菌只能忍受40度的高溫。這種生存能力與不同生物體內的蛋白質穩定性強相關。但是要在某個活細胞內部對單一蛋白質的狀態進行觀察和積累還不甚簡單；而在試管中對單一蛋白進行實驗又無法模擬原有細胞的相關環境，在細胞內部，不同的蛋白質混雜在一起，通過一些化學鍵銜接，形成特定的形態。要掌握蛋白質衰變的具體過程，需要將整個環境和蛋白質之間的影響包含進去。

為了解決這一問題，該團隊設計了一種龐大而複雜的自動化處理流程，在處理中他們利用酶的對細胞內的蛋白進行分離，提取其中的蛋白質，並且進行加熱。研究人員通過酶分解得到的蛋白質片段來分析當前溫度下的斷裂部位。通過對不同溫度下的數據記錄，他們描繪出一張相對連續的蛋白質展開和變性熱敏曲線。通過對上千種蛋白質熱敏感曲線的記錄，他們展示了蛋白質從適合溫度下的完整結構到不同溫度下的變性曲線。並且，為了探求不同物種體內蛋白質的特異性，他們專門的研究了人、大腸桿菌、嗜熱鏈球菌和酵母菌四類生物細胞內的蛋白。來自芝加哥大學的生物學家Allan Drummond稱之為一項美輪美奐的實驗。

對於所使用的實驗物種而言，蛋白質並不會隨溫度升高產生大量的解體。反而，他們只觀測到很小部分的蛋白質在非常早(溫度上升)的階段解體，這些就是關鍵的(致死)蛋白。在一個網狀的蛋白質交互圖中，這些關鍵蛋白往往處於網路的核心節點，與其它蛋白擁有大量的連接。這就意味著他們影響著細胞內部的關鍵功能，失去這些蛋白質，細胞將失能。同樣，如果用網路進行類比，這些關鍵的蛋白在溫度上升後奔潰將導致網路被破壞。

但是這一悖論--生物體內的關鍵蛋白十分脆弱--是如何在物種漫長的進化過程被塑造成現在的模式呢？如果對於一個八面玲瓏的全能蛋白質，不穩定、容易展開和摺疊將是一種得天獨厚的優勢，通過這種變換，關鍵蛋白能夠變換形態，從而完成不同目標。「很多類似的關鍵蛋白具有高度的靈活性，這也使得他們非常不穩定」，但是這種靈活性使得他們能夠與細胞內的不同分子進行綁定，完成不同的工作。這或許是某種折中。

拿大腸桿菌來說，他們的數據最直觀，他們也發現了蛋白質豐富程度的關聯特性(細胞內部的同種蛋白質含量--對應蛋白質穩定性)。就實驗數據而言，含量越多的蛋白，失活的溫度越高，越耐熱。而罕有的蛋白耐熱性更差。蛋白質含量與穩定性的關聯與Drummond 數十年前的一個想法不謀而合，細胞蛋白--偶爾出現錯誤。通常，某種錯誤會導致蛋白質不穩定。如果普通蛋白失穩，但是由於細胞體內的相關蛋白量很大，將會有大量的錯誤蛋白堆積在細胞內部。由此可見，進化通過提高需求量大的蛋白穩定性，有助於細胞的整體穩定性。而本次的實驗數據也支持這一結論。

接著，我們需要探索是什麼樣的特性使得某些蛋白質具有耐熱穩定性。通過對比大腸桿菌和嗜熱鏈球菌的相關數據，大腸桿菌的蛋白在40度左右開始瓦解，在70度左右會完全崩塌(因此，蛋友洗菊花使用40度左右的溫水即可，無需過燙)。而在70度時，嗜熱鏈球菌也就剛剛開始不舒服，直到90度他們還能保持蛋白質結構，保持活性。他們還發現嗜熱鏈球菌的穩定蛋白質的結構相對較短，出現的結構也十分相似。

相關的發現能夠輔助研究人員設計出實驗所需的穩定蛋白質結構。在很多工業生產和處理中(包括對細菌的利用)，有時需要調節工業生產的溫度，但是由於對其中的機理掌握不明確，會導致細菌由於過熱而死。如果能夠通過某種方式保護這些會在早期分解的蛋白質，達到保護這些細菌的目的，這將是十分有趣的一件事。當然也能夠用於控制低溫滅活而不破壞其他有效蛋白質成分——巴斯消毒。

除了這些結果之外，關於不同蛋白質展開模式也引起了生物學家的興奮。蛋白質形成聚合物的可能性與其穩定性強相關：解體後的蛋白質片段會互相混雜在一起，針對細胞而言是致命的。如果這種堆積發生在某些神經元細胞將導致嚴重的精神問題，比如阿茲海默症--變性的蛋白質碎片堆積在病人的大腦中。

但是，並非只有以上病患的細胞體內才會發生蛋白碎片的聚集。實際上，蛋白質碎片的堆積在任何時候都會發生，如果在沒有任何壓力的情況下。正常細胞能夠處理掉這些堆積的碎片。大多數細胞蛋白都可能因為錯誤展開和斷裂在細胞產生堆積。而關鍵在於某些蛋白質展開的時間，這一關鍵因素直接影響蛋白質碎片的堆積時間。有些蛋白質完全不會發生展開和堆積，而另一些只在特定條件下發生，而還有一些蛋白質經常發生展開。該論文揭示了相關的規律，使得相關現象和研究更容易被解釋。一些曲線也展現出某些蛋白在展開後發生堆疊的規律。他們已經成功的對這一過程進行了分步監控--蛋白質打開和隨後的聚合，這也是該研究的成功之處。

很多研究人員更加熱衷於關注堆疊現象，因為他們往往導致毀滅性的結果，其中一些人從另外的角度進行了相關的研究。Drummond 稱一些堆積現象不僅有細胞周圍懸浮的垃圾形成，相反，正常的活性蛋白也會被纏繞其中，雖然他們仍然能夠繼續工作。

想像一下，看到某個遠處的房屋正被煙霧繚繞著，地上橫七豎八躺著些屍體，像是剛被從廢棄拖出來似的。但是走進一看，那些人還活著，他們剛從冒火的大樓跑出來，等待下一步通知和緊急處理。雖然這個比喻很奇怪，但是Drummond 把它用於類比對蛋白質堆積的研究現狀：雖然蛋白質發生堆疊，但是並不意味著他們都在失活的情況下被堆積成團，一些蛋白質仍然活力滿滿。現在，這一相關的研究也成為一個獨立的課題和方向。

除了作為細胞損傷的標誌，聚集的蛋白質可能一直保持活性直到細胞掛掉。這種聚集也能夠對一些蛋白質形成對周圍環境的保護。當某些情況下，環境好轉，其中一些蛋白質能夠脫離聚集的團，重新摺疊。這種形態的轉化是溫度敏感的，如果過你不仔細湊近觀察，你可能會認為這種堆疊是有害的。其實，暗中還有別的事情正在發生。在2015年的一篇論文中，他和他的同事確認了177個酵母蛋白，這些蛋白能夠在堆積後重新脫離堆積的碎片團，重新摺疊起來。而在即將發表的一片論文中，他們也描述了，通過對某一個蛋白進行修改從而消除細胞內的堆積過程實際上會對細胞產生不利的效果。

總而言之，他們的工作揭示了蛋白質奇怪的動態結構。開始我們認為蛋白質的轉錄和表達嚴格工業流水化，某種工作目標下他們的結構固定。事實上，在他們的工作中會在不同的形態下互相轉化。如果有必要，他們的形態會發生巨大改變。

在分子層面，生命的形態以蛋白質的形式分分合合。

本文譯自 quantamagazine，由譯者 鄰家乖蜀黍 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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