三伏天思考：被熱死之前，細胞發生了什麼？

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當一個細胞因為溫度升高而死亡時，其中只有少數關鍵蛋白質會解體，而最關鍵的蛋白恰恰是最脆弱的。這項於2017年初發表於Science的研究，意義還遠不止於此。

撰文 Veronique Greenwood

編譯 二宗主/原理

編輯 張士超

生命所必需的蛋白質通常具有十分精準的形態，它們以長鏈的形態開始，根據其分子序列，摺疊成螺旋狀、片狀、或其他形狀，這些形狀在保證蛋白質的功能上發揮了巨大的作用。然而，當溫度開始升高時，維持蛋白質結構的化學鍵會遭到破壞：先從較弱的開始，隨著溫度的升高，更強的化學鍵也不能倖免。這也解釋了細胞為何缺乏耐熱性。我們知道蛋白質結構的大面積損傷是致命的，但直到最近，我們才搞清楚過高的溫度是否、以及如何殺死細胞的。

最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的生物物理學家們研究了四種不同的生物體的細胞中的蛋白質在溫度升高的環境下的表現。研究結果表明，當一個細胞因為溫度升高而死亡時，其中只有少數關鍵蛋白質會解體，無論這些蛋白質來自人類細胞還是大腸桿菌。此外，蛋白質在細胞中的丰度與蛋白質的穩定性還顯示出謎之相關性。這項研究讓我們對管理蛋白質秩序和紊亂的基本規則有所了解，從這些規則中，研究人員意識到，它們的意義遠遠超出了探究為什麼熱能導致細胞死亡的問題。

生物學家 Paola Picotti，此次實驗的領導者。圖片來源：Quanta Magazine

領導這項研究的生物物理學家保拉·皮科蒂（Paola Picotti）解釋說，實驗源自一個古老而棘手的問題：為什麼有些細胞能在高溫下生存，而有的卻會死亡？嗜熱棲熱菌能在溫泉中幸福生活，在家用熱水中也能茁壯生長，而大腸桿菌在高於40 °C 的環境下就得歇菜。這些現象都有力證明了不同生物體的蛋白質的穩定性有明顯差異。

對蛋白質進行研究，最理想的方式是在活細胞中進行，但這並非易事。再者，在試管中分離蛋白質只能得到部分答案，不像在生物體內，蛋白質會相互依偎、改變彼此的化學屬性或幫助彼此維持正確的形態。因此，要了解蛋白質如何解體，還需在蛋白與蛋白能相互影響之時對其進行觀察。

圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

為了解決這個問題，Picotti 的研究團隊設計了一個巨大的自動化工作流程，先分離細胞，再對其內容物進行逐步加熱，每個階段都有蛋白切酶被釋放。這些酶特別適用於切割非摺疊蛋白質，因此研究人員可以通過查看蛋白質在逐次升溫過程中分解的片段來判斷。通過這種方式，他們繪製了上千種不同蛋白質的去摺疊和變性曲線，這些曲線顯示了它們從舒適溫度下的完好結構到溫度升高後的變性狀態的轉變弧度。

為了了解這些曲線在不同物種間的差異，他們對人類、大腸桿菌、嗜熱鏈球菌和酵母等四種物種的細胞進行了研究。最清楚的發現之一是，在每種物種中，升溫並沒有導致大量蛋白質呈集體去摺疊的趨勢。相反，他們觀察到只有一小部分蛋白質很早就分解了，而且這些都是關鍵的蛋白質。在蛋白質相互關係網中，這些脆弱的少數蛋白質通常是高度相關的，這意味著它們對細胞中的許多反應都有影響。 沒有這些蛋白質細胞就不能正常運作，當它們消失時，整個蛋白質網路就很可能崩潰，從而結束細胞的生命。

這是否就像是個悖論呢？最重要的蛋白質卻是最脆弱的。Picotti 解釋說：「許多關鍵蛋白質都具有高度的靈活性，這使得它們更不穩定。」但是這可能使它們具有多種功能，可以與細胞中的各種目標分子結合。用 Picotti 的話來說： 「這可能就是它們為具備執行多項功能做出的犧牲吧。」

仔細地觀察大腸桿菌後，研究人員還發現了蛋白質的丰度與穩定性之間的關係 。據報道，細胞複製的蛋白質越多，破壞蛋白質所需的熱量就越多。蛋白質的丰度和穩定性之間的這種關係，支持了芝加哥大學的生物學家 Allan Drummond 在十多年前提出的觀點——細胞中的蛋白合成系統有製造機隨機錯誤的傾向。一個錯誤通常會破壞蛋白質的穩定性，如果這是一種常見蛋白質，那麼每天會有成百上千的細胞產生這種蛋白質，這些帶有錯誤信息的複製品就可能將細胞塞滿，這種蛋白質的聚集對細胞來說可能是致命的。

為了探索蛋白質的熱穩定性，研究人員比較了大腸桿菌和嗜熱鏈球菌的數據。大腸桿菌蛋白質在40 °C 時開始分解，在70 °C 時大部分已降解。而對嗜熱嗜熱菌蛋白質來說，70 °C 的溫度只能讓它們剛剛將它們脫離舒適圈，其中一些甚至能在90 °C 時仍保持完整形態。研究小組發現嗜熱嗜熱細菌蛋白質普遍較短，某些種類的形狀和成分在最穩定的蛋白質中更常見。

蛋白質熱穩定性與細胞死亡的定性關係圖。圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

這些發現可以幫助研究人員根據不同需要調整蛋白質的穩定性。例如，在許多涉及使用細菌的工業過程中，提高溫度會提高產量，但是如高溫時間持續太長的話，細菌會因熱受損甚至死亡。

然而，除了以上這些觀察結果之外，該科研小組還掌握了大量不同蛋白質去摺疊難度數據，這讓許多生物學家為之興奮。蛋白質的穩定性是對過度聚集形成未摺疊蛋白質團塊的發生率的直接評測。這種聚集對細胞來說通常都是噩夢，可能會細胞的許多基本運作進行干擾。它們涉及一些嚴重的神經學疾病，例如阿茲海默病，就是因為變性的蛋白質斑塊使大腦功能紊亂。

但這並不意味著只有患有這些病症的個體中才會發生蛋白質聚集。相反，研究人員意識到這個過程或許一直都在發生，只是在沒有明顯的壓力下，一個健康的細胞能應付這種聚集。劍橋大學生物化學家 Michele Vendruscolo 說：「我認為這逐漸被視為普遍現象。實際上，大多數蛋白質在細胞環境中都會出現錯誤摺疊和聚集。 Picotti 獲得的最基本信息是任何蛋白質處於去摺疊狀態的那部分時間，這部分時間決定其聚集的程度。」 有一些蛋白質幾乎從未去摺疊或聚集，其他蛋白質僅在某些情況下才會去摺疊和聚集，還有一些蛋白質會不斷地進行這個過程。 Picotti 研究團隊最新發表的文章中的大量信息，能幫助人們研究這幾種差異的存在及其含義。有些變性曲線甚至顯示出蛋白質去摺疊後聚集的模式。Vendruscolo 說：「能夠對去摺疊和聚集這兩個關鍵步驟進行監控，對生物學家來說是件值得興奮的事。」

雖然許多科學家對聚集感興趣是因為他們想要了解聚集造成的損害，但也有人從另一個角度思考這種現象。Drummond 說，有些聚集並非一定是一堆漂浮在細胞周圍的垃圾；相反，它們中還含有繼續工作的活性蛋白質。

蛋白質結塊除了是受損的跡象以外，也可能作為一種在嚴峻環境下蛋白質為保持自身功能的防禦方式，保護它們不受周圍環境的影響。當環境改善時，這些聚集的蛋白質再離開聚集體並進行重新摺疊。Drummond 說：「它們的形狀變化對溫度敏感，如果你看得不夠仔細，會以為它們是在進行錯誤摺疊，但其實還有許多其他事情正在發生。」 在2015年的《細胞》雜誌上，他和合作者確定了177種酵母蛋白在聚集後重獲正常功能。在剛剛過去的三月份發表的一篇論文中，Drummond 的團隊還發現，若改變這些蛋白質使它們不能聚集，反而會給細胞造成很嚴重的問題。

總而言之，這項工作表明蛋白質有著神奇的動態結構。起初，他們可能看起來像呆板的機器，以它們特定的設定（形狀）完成著固定的任務。但事實上，蛋白質在正常工作的過程中可能會變成幾種不同的形式。在一些必要的情況下，這種變化甚至是巨大的。所以有可能它們看起來就好像快不行了，而實際上卻在自我強化。在分子層面上，生命可能就是由這些連續不斷聚集和分解構成的。

參考鏈接：

https://www.quantamagazine.org/how-heat-kills-cells-20170509/

http://science.sciencemag.org/content/355/6327/eaai7825.long

http://drummondlab.org/papers/paper/endogenous-aggregates

http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(17)30242-8

論文基本信息

【題目】Cell-wide analysis of protein thermal unfolding reveals determinants of thermostability

【作者】Pascal Leuenberger, Stefan Ganscha, Abdullah Kahraman, Valentina Cappelletti, Paul J. Boersema, Christian von Mering, Manfred Claassen, Paola Picotti

【期刊】Science

【日期】24 Feb. 2017

【DOI】10.1126/science.aai7825

【摘要】

Temperature-induced cell death is thought to be due to protein denaturation, but the determinants of thermal sensitivity of proteomes remain largely uncharacterized. We developed a structural proteomic strategy to measure protein thermostability on a proteome-wide scale and with domain-level resolution. We applied it to Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Thermus thermophilus, and human cells, yielding thermostability data for more than 8000 proteins. Our results (i) indicate that temperature-induced cellular collapse is due to the loss of a subset of proteins with key functions, (ii) shed light on the evolutionary conservation of protein and domain stability, and (iii) suggest that natively disordered proteins in a cell are less prevalent than predicted and (iv) that highly expressed proteins are stable because they are designed to tolerate translational errors that would lead to the accumulation of toxic misfolded species.

【論文鏈接】http://science.sciencemag.org/content/355/6327/eaai7825.long

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