三伏天思考:被热死之前,细胞发生了什么?

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当一个细胞因为温度升高而死亡时,其中只有少数关键蛋白质会解体,而最关键的蛋白恰恰是最脆弱的。这项于2017年初发表于 Science 的研究,意义还远不止于此


撰文 Veronique Greenwood

编译  二宗主/原理

编辑  张士超


生命所必需的蛋白质通常具有十分精准的形态,它们以长链的形态开始,根据其分子序列,折叠成螺旋状、片状、或其他形状,这些形状在保证蛋白质的功能上发挥了巨大的作用。然而,当温度开始升高时,维持蛋白质结构的化学键会遭到破坏:先从较弱的开始,随着温度的升高,更强的化学键也不能幸免。这也解释了细胞为何缺乏耐热性。我们知道蛋白质结构的大面积损伤是致命的,但直到最近,我们才搞清楚过高的温度是否、以及如何杀死细胞的。


最近,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的生物物理学家们研究了四种不同的生物体的细胞中的蛋白质在温度升高的环境下的表现。研究结果表明,当一个细胞因为温度升高而死亡时,其中只有少数关键蛋白质会解体,无论这些蛋白质来自人类细胞还是大肠杆菌。此外,蛋白质在细胞中的丰度与蛋白质的稳定性还显示出谜之相关性。这项研究让我们对管理蛋白质秩序和紊乱的基本规则有所了解,从这些规则中,研究人员意识到,它们的意义远远超出了探究为什么热能导致细胞死亡的问题。


生物学家 Paola Picotti,此次实验的领导者。图片来源:Quanta Magazine


领导这项研究的生物物理学家保拉·皮科蒂(Paola Picotti)解释说,实验源自一个古老而棘手的问题:为什么有些细胞能在高温下生存,而有的却会死亡?嗜热栖热菌能在温泉中幸福生活,在家用热水中也能茁壮生长,而大肠杆菌在高于40 °C 的环境下就得歇菜。这些现象都有力证明了不同生物体的蛋白质的稳定性有明显差异


对蛋白质进行研究,最理想的方式是在活细胞中进行,但这并非易事。再者,在试管中分离蛋白质只能得到部分答案,不像在生物体内,蛋白质会相互依偎、改变彼此的化学属性或帮助彼此维持正确的形态。因此,要了解蛋白质如何解体,还需在蛋白与蛋白能相互影响之时对其进行观察。


图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


为了解决这个问题,Picotti 的研究团队设计了一个巨大的自动化工作流程,先分离细胞,再对其内容物进行逐步加热,每个阶段都有蛋白切酶被释放。这些酶特别适用于切割非折叠蛋白质,因此研究人员可以通过查看蛋白质在逐次升温过程中分解的片段来判断。通过这种方式,他们绘制了上千种不同蛋白质的去折叠和变性曲线,这些曲线显示了它们从舒适温度下的完好结构到温度升高后的变性状态的转变弧度。


为了了解这些曲线在不同物种间的差异,他们对人类、大肠杆菌、嗜热链球菌和酵母等四种物种的细胞进行了研究。最清楚的发现之一是,在每种物种中,升温并没有导致大量蛋白质呈集体去折叠的趋势。相反,他们观察到只有一小部分蛋白质很早就分解了,而且这些都是关键的蛋白质。在蛋白质相互关系网中,这些脆弱的少数蛋白质通常是高度相关的,这意味着它们对细胞中的许多反应都有影响。 没有这些蛋白质细胞就不能正常运作,当它们消失时,整个蛋白质网络就很可能崩溃,从而结束细胞的生命。


这是否就像是个悖论呢?最重要的蛋白质却是最脆弱的。Picotti 解释说:“许多关键蛋白质都具有高度的灵活性,这使得它们更不稳定。”但是这可能使它们具有多种功能,可以与细胞中的各种目标分子结合。用 Picotti 的话来说: “这可能就是它们为具备执行多项功能做出的牺牲吧。”


仔细地观察大肠杆菌后,研究人员还发现了蛋白质的丰度与稳定性之间的关系 。据报道,细胞复制的蛋白质越多,破坏蛋白质所需的热量就越多。蛋白质的丰度和稳定性之间的这种关系,支持了芝加哥大学的生物学家 Allan Drummond 在十多年前提出的观点——细胞中的蛋白合成系统有制造机随机错误的倾向。一个错误通常会破坏蛋白质的稳定性,如果这是一种常见蛋白质,那么每天会有成百上千的细胞产生这种蛋白质,这些带有错误信息的复制品就可能将细胞塞满,这种蛋白质的聚集对细胞来说可能是致命的。


为了探索蛋白质的热稳定性,研究人员比较了大肠杆菌和嗜热链球菌的数据。大肠杆菌蛋白质在40 °C 时开始分解,在70 °C 时大部分已降解。而对嗜热嗜热菌蛋白质来说,70 °C 的温度只能让它们刚刚将它们脱离舒适圈,其中一些甚至能在90 °C 时仍保持完整形态。研究小组发现嗜热嗜热细菌蛋白质普遍较短,某些种类的形状和成分在最稳定的蛋白质中更常见。


蛋白质热稳定性与细胞死亡的定性关系图。图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine


这些发现可以帮助研究人员根据不同需要调整蛋白质的稳定性。例如,在许多涉及使用细菌的工业过程中,提高温度会提高产量,但是如高温时间持续太长的话,细菌会因热受损甚至死亡。 


然而,除了以上这些观察结果之外,该科研小组还掌握了大量不同蛋白质去折叠难度数据,这让许多生物学家为之兴奋。蛋白质的稳定性是对过度聚集形成未折叠蛋白质团块的发生率的直接评测。这种聚集对细胞来说通常都是噩梦,可能会细胞的许多基本运作进行干扰。它们涉及一些严重的神经学疾病,例如阿兹海默病,就是因为变性的蛋白质斑块使大脑功能紊乱。


但这并不意味着只有患有这些病症的个体中才会发生蛋白质聚集。相反,研究人员意识到这个过程或许一直都在发生,只是在没有明显的压力下,一个健康的细胞能应付这种聚集。剑桥大学生物化学家 Michele Vendruscolo 说:“我认为这逐渐被视为普遍现象。实际上,大多数蛋白质在细胞环境中都会出现错误折叠和聚集。 Picotti 获得的最基本信息是任何蛋白质处于去折叠状态的那部分时间,这部分时间决定其聚集的程度。” 有一些蛋白质几乎从未去折叠或聚集,其他蛋白质仅在某些情况下才会去折叠和聚集,还有一些蛋白质会不断地进行这个过程。 Picotti 研究团队最新发表的文章中的大量信息,能帮助人们研究这几种差异的存在及其含义。有些变性曲线甚至显示出蛋白质去折叠后聚集的模式。Vendruscolo 说:“能够对去折叠和聚集这两个关键步骤进行监控,对生物学家来说是件值得兴奋的事。” 


虽然许多科学家对聚集感兴趣是因为他们想要了解聚集造成的损害,但也有人从另一个角度思考这种现象。Drummond 说,有些聚集并非一定是一堆漂浮在细胞周围的垃圾;相反,它们中还含有继续工作的活性蛋白质。


蛋白质结块除了是受损的迹象以外,也可能作为一种在严峻环境下蛋白质为保持自身功能的防御方式,保护它们不受周围环境的影响。当环境改善时,这些聚集的蛋白质再离开聚集体并进行重新折叠。Drummond 说:“它们的形状变化对温度敏感,如果你看得不够仔细,会以为它们是在进行错误折叠,但其实还有许多其他事情正在发生。” 在2015年的《细胞》杂志上,他和合作者确定了177种酵母蛋白在聚集后重获正常功能。在刚刚过去的三月份发表的一篇论文中,Drummond 的团队还发现,若改变这些蛋白质使它们不能聚集,反而会给细胞造成很严重的问题。


总而言之,这项工作表明蛋白质有着神奇的动态结构。起初,他们可能看起来像呆板的机器,以它们特定的设定(形状)完成着固定的任务。但事实上,蛋白质在正常工作的过程中可能会变成几种不同的形式。在一些必要的情况下,这种变化甚至是巨大的。所以有可能它们看起来就好像快不行了,而实际上却在自我强化。在分子层面上,生命可能就是由这些连续不断聚集和分解构成的。


参考链接:

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

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