细菌感染会致病,是蛋白转运在“捣乱”
2019-07-09 12:03:47      来源:科技日报

人和动物为何会在感染细菌后生病?细菌通常是单细胞微生物,一个细胞即一枚细菌。一些致病菌为了在宿主体内生存、繁殖和扩散,会在细胞内核糖体中制造一些蛋白类的毒力因子,并将这种蛋白分泌到细胞外。即便是非致病菌,也会为了适应其生活环境,向外分泌一些蛋白质。

细菌内部的蛋白质如何“跨膜”?这是学界一直想搞清楚的问题。近期,北京大学生命科学学院研究员李龙、高宁团队合作为分泌型蛋白“跨膜”瞬间拍照,解析了蛋白转运分子机制。相关研究成果发表在《自然·通讯》杂志上。

信号肽做探针 分泌蛋白“扫码上车”

“蛋白转运是一个高度调控过程,必然存在某种机制确保细胞内部能够特异性地将需要分泌的蛋白质转运出去。”李龙在接受科技日报记者采访时表示。

早在上世纪70年代就有学者推测,细胞内存在一种物质,能够将待分泌的蛋白识别出来,避免出现将不必分泌到胞外的蛋白运出去这种乌龙事件。1972年,研究人员发现一些免疫球蛋白的前体比成熟体多了20个氨基酸。

1975年,德国学者布洛贝尔等人提出了信号肽假说,将这多出来的20个氨基酸称为信号肽,如果胞内某种蛋白质的序列上含信号肽,就相当于给该蛋白打上了“待转运”的“条形码”,华丽变身成了分泌蛋白,随后便会有“车辆”载着该蛋白来到细胞膜内侧。随后该蛋白通过细胞膜上的“特殊通道”,被分泌到胞外。该假说后续被一系列实验证实,布洛贝尔也因此获得1999年诺贝尔生理学或医学奖。

运送分泌蛋白的“车辆”是什么?“它在细菌里可以是一种ATP水解酶,也可以是一种蛋白质,我们将之称为SecA,由于它载着分泌蛋白运动,故可看成是‘马达蛋白’。”李龙告诉记者,信号肽与分泌蛋白有一一对应的关系,信号肽的种类多样,通常每种分泌蛋白都有独特的信号肽“条形码”。马达蛋白却不那么“讲究”,只要是有“条形码”的蛋白都能成为它的“乘客”,不论是哪种分泌蛋白。

细胞膜上存在一种通道蛋白SecY,它的职责是扫描被马达蛋白运送过来的分泌蛋白,识别成功后开启特殊通道,放行分泌蛋白,随后通道关闭,恢复细胞膜本来的磷脂双分子层结构。

虽然蛋白转运的大致过程已经探明,但更深层次的疑惑仍需探究,如为何马达蛋白能够非特异性识别信号肽?人们发现的信号肽为何均存在疏水结构?

三种蛋白“一台戏” 相互识别有规律

李龙、高宁团队利用电子冷冻显微镜给正在“跨膜”的蛋白质们拍了一张“照片”,回答了非特异性结合的问题。

事实上,恰好“抓拍”到蛋白质“跨膜”的那一瞬间很难,因为整个蛋白质转运的过程十分迅速,1秒内能够完成十几个蛋白质的转运,所以此前学界还没有人拍到这种照片。此次两个团队另辟蹊径,给细胞“投喂”了ATP类似物,将转运过程锁定在“跨膜”的阶段,再将蛋白冷冻下来,用电镜拍照片,将瞬间永久定格。

研究人员分析发现,马达蛋白能够与分泌蛋白的主链通过氢键结合,折叠成片层结构。而蛋白质的种类是由其侧链上的氨基酸序列决定的,不同分泌蛋白的主链序列是一致的。这就明确解释了马达蛋白对分泌蛋白“来者不拒”的原因。

至于信号肽的疏水结构,李龙等人早年在《自然》杂志上发表文章,讨论过这个问题。细胞膜的磷脂双分子层本身即为疏水结构,膜上的通道蛋白SecY能够识别出同样具有疏水结构的信号肽,并将其钉扎在细胞膜上,随后细胞内的信号肽酶会将信号肽和分泌蛋白切割,分泌蛋白“跨膜”而出,信号肽则被降解,转化成基本物质氨基酸,参与到下一次的细胞活动中。

“这两次研究相当于两张半图,拼接成了一张完整的‘跨膜’图片。”李龙说,但整个蛋白质转运过程并非只是一张“跨膜”瞬间的图片就能解释清楚的,它是个动态的过程,需要无数张图片汇成一个动态图像才能真实重构出蛋白质转运的真实历程。这将是研究人员下一步的研究课题。(科技日报 实习记者于紫月

编辑:黄彩英 责任编辑:孙红亮

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