新生肽链的折叠与分子伴侣的发现

新生肽链是指刚从核糖体上合成出来的多肽链。目前已经知道,新生肽链必须经过一系列加工,诸如二硫键的形成、糖基化作用、羟基化作用、磷酸化作用等100多种化学修饰;肽链的折叠、去折叠;运输到它发挥生物功能的场所,可能涉及到多次越膜过程;亚基的组装;水解除去前体分子中的Pro和Pre序列而活化等等,最终才形成确定的由一级结构决定的三维结构,并获得特有的生物活性,成熟成为功能蛋白分子。

从广义上理解,新生肽链的折叠包括多肽链从核糖体上合成出现直到成熟成为功能蛋白分子的全过程。目前虽然已经搞清楚了数百种蛋白质的三级结构,但是对这些蛋白质是怎样达到它们最终构象的过程知之不多。长期以来,人们的认识是建立在变性蛋白质在去除变性因素后重新折叠的体外研究和Anfinsen的一级结构决定高级结构的理论基础之上,因此沿用了变性蛋白的复性作为新生肽链折叠的模型,并且认为细胞中新合成的多肽链,只要有了一定的氨基酸序列,也应该能够自发地折叠而形成由它的一级结构所决定的空间结构。这就是所谓的经典的自装配学说。

1978年,Laskey发现组蛋白和DNA在体外生理离子强度条件下组装成核小体时,必须有一种核内酸性蛋白nucleoplasmin存在,否则就会发生沉淀。他给帮助核小体组装的nucleoplasmin起了一个十分新颖的名字“MolecularChaperone”。后来,Ellis在研究高等植物叶绿体中的核酮糖1,5-二磷酸羧化酶—加氧酶(Rubisco)时,也发现类似现象,即在叶绿体中合成的8个大亚基和细胞质中合成的8个小亚基都必须先和一种蛋白结合后,才能在叶绿体内组装成活性酶分子。因此,1987年Ellis正式提出在普遍意义上帮助新生肽链折叠的“MolecularChaperone”的概念。根据牛津字典的解释,Chaperon是指欧洲中世纪少女成年后初次参加社会交际活动中陪伴她的年长妇女,这里借用来形容伴随新生肽链并帮助它折叠和成熟为具有完整结构和功能的蛋白质,显然十分贴切,而“MolecularChaperone”这个新名词的创造又是如此生动!1993年,Ellis对“MolecularChaperone”做了更为确切的定义:它是一类相互之间没有关系的蛋白,它们的功能是帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的非共价的组装,并且不是组装完成的结构在发挥其正常的生物功能时的组成部分。”

早在1988年,我国著名生物学家邹承鲁就明确指出,变性蛋白的重新折叠不能作为新生肽链折叠的有效模型。他认为新生肽链的折叠在合成早期业已开始,而不是合成完成之后才开始进行;随着肽链的延伸同时进行折叠,又不断进行构象的调整;先形成的结构会作用于后合成的肽链的折叠,而后形成的结构又会影响前面已经形成的结构的调整,因此在肽链延伸过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。这样,新生肽链的合成、延伸、折叠、构象调整,直到最终三维结构的形成,是一个同时进行着的、协调的动态过程。现在已经清楚,在此过程中分子伴侣起着非常重要的作用。分子伴侣的命名与分类Ellis给分子伴侣的定义是功能意义的定义,是对凡具有这样功能的所有蛋白质的总称,它们的结构可以完全不同,也可以是完全不同的蛋白质。其中最大一类分子伴侣是热休克蛋白(heatshockproteins,HSP)。1962年,Ritossa在研究果蝇唾液腺染色体时发现了一种在细胞高温应激时对细胞有保护作用的蛋白质,因而命名为“热休克蛋白”。最初只认为HSP在高温下可有效保护蛋白质折叠结构,真核细胞和原核细胞在高温时均可产生HSP。进一步研究表明,其他许多刺激,如病毒感染、发热、炎症、组织损伤、代谢性疾病、癌症、心肌肥大等均可使HSP产生异常升高,正常细胞中也存在多种有活性的HSP,在调节细胞生长、分化、免疫和存活中发挥重要作用。因而,现在广义地称这类蛋白为应激蛋白(stressproteins)。不同的HSP分子是以亚基分子量(KD)来命名的,例如,HSP70是亚基分子量为70KD的蛋白质。目前发现的HSP已有近30种,按其亚基分子量大小可将HSP分为4组,即:HSP70家族、HSP60家族、HSP90家族和低分子量HSP。预计新鉴定的分子伴侣将会以很快的速度增加。

分子伴侣的生物学功能现在已经清楚,分子伴侣通过促进新生肽链的正确折叠和维持这种折叠状态,在调节细胞生长、分化和存活中发挥重要作用。同时,它还具有免疫学作用,并与某些疾病的发生发展有关,在生物工程中也初步显露出它的应用前景。其中对HSP70的研究报导较多。至今已克隆测序了真核生物、真菌、原核生物、真细菌和古代原细菌等数10种生物的HSP70基因和蛋白,结果表明HSP70不仅广布于各种生物细胞内,而且还是至今所研究过的进化上最保守的蛋白质之一。例如,大肠杆菌的HSP70(Dnak)与人的HSP70有50%的同源性。另外,在真核细胞内的不同区室(细胞器)内,相应的HSP70具有一定的顺序特征。所有HSP70均有弱的ATP酶活性,这可能有助于多肽分子的折叠。目前认为,细胞质中HSP70在肽分子仍然位于核糖体上时即与新生肽链分子结合,并将蛋白质前体转移到线粒体、叶绿体、内质网上,交给相应细胞器上的HSP70。进入细胞器中的新生蛋白质多肽链仍然是伸展构型,几乎无二级或三级结构,与胞质核糖体上的新生多肽链构型相似。可见细胞质和细胞器中的HSP70功能相同,由HSP介导的胞质向细胞器的多肽转移,是多肽向细胞器转移的必要动力。当新生肽与细胞器HSP70相互作用后,新生肽链转移到细胞器的HSP60上,在ATP依赖反应中发生折叠。HSP70承担着非常保守的分子伴侣功能,即帮助蛋白跨越内膜及维持蛋白的特定构象等。细胞内各区室(内质网、线粒体、叶绿体、胞室等)都有HSP70对应物的存在,表明它对这些细胞器是必需的。