谈信号肽及蛋白质分选转运

杨春蕾

【摘 要】 生物科学家一直想揭开遗传物质的奥秘，而对基因的探索离不开对蛋白质结构与功能的详细解读，蛋白质是生命活动的主要承担者，而其在合成、分选和转运的过程中，信号肽起着十分重要的作用。本文就信号肽的结构和功能，蛋白质分选转运类型与途径等方面进行详细分析，阐述了信号肽对蛋白质的定位重要作用，探究信号肽的研究在生物蛋白质、医疗、制药等方面的应用情况，以及对信号肽研究的未来展望。

【关键词】 信号肽 蛋白质 分选转运 实际应用

1 信号肽与蛋白质分选转运

1.1 信号肽的结构与功能

信号肽引导并定位蛋白质新生肽链，类似于一段具有特定的“条形码”，位于蛋白质的N端氨基酸序列，一般由20左右个氨基酸残基组成，包括疏水核心区、信号肽的C端和N端三部分。信号肽可以引导翻译的核糖体及多肽链附着到粗面内质网膜上，穿入内质网膜，经内质网上的信号蛋白酶剪切清除后，肽链继续延伸。

1.2 蛋白质分选转运

蛋白质根据自身特定的信号序列，从一开始的合成部位，经过组装，到形成成结构与功能的复合体，各就各位地参与各项生命活动，这一过程称为蛋白质的定向转运或蛋白质分选。

1.3 蛋白质分选转运类型与途径

蛋白质分选转运分为门控运输、跨膜运输和膜泡运输等，但都涉及到信号肽的介导和靶细胞器上受体蛋白的识别。按照蛋白质合成与转运同步与否，其分选途径可分为两大类：共翻译转运机制，即蛋白质在游离核糖体上开始合成，后由信号肽引导转移到粗面内质网中，新生肽边合成边转入粗面内质网腔或定位在内质网膜上，运至再经高尔基体加工包装转运至溶酶体、细胞质膜或细胞外；后翻译转运机制，即在游离核糖体上合成多肽链后，再转运至膜围绕的细胞器，如线粒体、叶绿体、细胞核等，或称为可溶性蛋白。

2 信号肽在蛋白质分选转运中的作用

2.1 信号肽对分泌蛋白的作用

分泌蛋白在粗面内质网上的合成由蛋白质N端的信号肽、信号识别颗粒、内质网膜上信号识别颗粒的受体和转运体等因子共同协助完成。

以共翻译转运机制为例，分泌蛋白在合成过程中，首先在细胞质基质游离核糖体上合成N末端的信号肽，后其暴露出核糖体并与信号识别颗粒结合，导致肽链延伸暂时停止，防止新生肽N端损伤和成熟前折叠，直至信号识别颗粒与内质网膜上的受体识别结合。新生肽与内质网膜上的移位子结合，信号识别颗粒脱离信号序列和核糖体，返回细胞质基质中重复使用，肽链又开始延伸。信号肽穿入内质网膜并引导肽链 经由膜蛋白质构成的孔道到达内质网腔内，而位于腔表面的信号肽则被信号肽酶水解，肽链合成后，核糖体从内质网上解离。在整个过程中，信号肽起到了很关键的指导作用。

2.2 信号肽对穿膜蛋白的作用

以单次跨膜为例，这类肽链除N-端有一段起始转移信号肽序列外，在肽链内部还有一段停止转移序列。在信号肽引导肽链的转移过程中，当停止转移序列进入转运体并与之相互作用时，肽链转移终止。N-端信号肽释放，停止转移序列形成跨膜结构，使得肽链的C-端滞留于胞质一侧。

此外，还有些蛋白质的信号肽位于肽链中部，被称为内信号肽。随着肽链延伸，当内信号肽序列到达转运体时，也会被保留在类脂双分子层中，形成跨膜结构。可见，穿膜蛋白的形成也是离不开信号肽的。

3 信号肽研究的应用实例

3.1 蛋白亚细胞定位的研究

在生物领域的《Nature Methods》一书中，整理出的2016年最值得关注的几项技术中，有蛋白定位亚细胞图谱，即标记细胞某些区域中的蛋白质，确定该区域中所有蛋白质。目前，有很多人都对蛋白亚细胞定位的研究做着尝试和突破，如Life Technologies生物技术公司就利用了信号肽的功能。其将荧光标记蛋白的基因插入某一特定基因内，同时，用PCR的方法把信号肽序列扩增，融合到目的基因的N端，通过信号肽的参与，能将表达的荧光蛋白引导定位到亚细胞器中，如核、质膜、内质网、高尔基体和过氧化物酶体等等，此时这些结构融合了荧光蛋白后会发出荧光，用显微镜、荧光针、荧光激活细胞分选仪等都可以看见。这种将信号肽与表达载体结合的方式，可准确且特异地定位到亚细胞区室和结构，使得对细胞内部的研究又更深一步。

3.2 在外源基因表达中的重要作用

枯草芽孢杆菌能够分泌胞外蛋白，为此人们可以通过枯草芽孢杆菌来研究蛋白质表达和分泌，进而可以了解外源基因表达和分泌的过程。科学家研究发现枯草芽孢杆菌的信号肽的疏水区部分影响蛋白质的分泌，疏水区过长或过短对蛋白质的分泌有不利。通过对信号肽研究得出，在研究外源基因表达时，信号肽在很大程度上影响外源基因表达。不同种信号肽对同一种蛋白的引导效率是不同的，同样，在不同的表达系统中信号肽的分泌效率也不相同，可以明显地影响表达分泌水平。所以，选择信号序列时要选用有高促进作用效果的，同时也可能需要对已有的信号肽调节和改造，以达到最佳效果，使该蛋白可以高效地在系统中表达，同时不断组合和优化，使更多种的蛋白可以表达。例如在应用到实际的蛋白药物生产过程中，要根据不同的目的基因和载体，选择不同的信号肽，以生产出高产高质的药物蛋白。

4 对信号肽研究的未来展望

信号肽研究不仅具有深刻的理论依据，还具有广阔的应用前景，特别是在生物制药、蛋白质生产、细胞工程等行业。在进一步阐释信号肽运行机制的基础上，可以利用已知或潜在的信号肽进行定向的生物蛋白改造，使目的蛋白定位到指定的部位并发挥相应功能。另外，随着对信号肽本质的充分认识，将有可能寻找到更多的外源蛋白分泌途径的信号序列，这将为人类解释疾病发病过程、定向特异靶点的信号研究开辟一个崭新的天地，成为基因治疗疾病研究中的一个强有力的入手点。

总结

人們在探究生物活动规律和生命现象的科学道路上不断前行，对分子生物探索已经进入了到后基因组时代，生物科学家一直想揭开遗传物质的奥秘，而基因的研究离不开对蛋白质结构与功能的详细解读。从信号假说的提出，到对最初“信号假说”概念的打破即发现了C端的信号肽，人们逐渐发现信号肽对蛋白质的定位重要作用，及信号肽对生物蛋白质、医疗、制药等方面的诸多应用。生物科技间正相互推动发展着，若想在生物科学的道路上越早走越远，要敢于大胆猜测，并不断探索，潜心研究，并将得到研究成果合理应用到实际生产生活，成为能为科学和人类社会做出贡献的科学工作者。

参考文献

[1] 韦雪芳，王冬梅，刘思，周鹏. 信号肽及其在蛋白质表达中的应用[J]. 《生物技术通报》，2006（6）

[2] 陈龙冠，覃锦红，黄云娜，麦俊新，谢秋玲. 信号肽优化对重组抗体分泌表达的影响及研究进展[J]. 《中国生物工程杂志》， 2016

[3] 周勇，徐刚，杨立荣，吴坚平. 信号肽优化在枯草芽孢杆菌体系中对脂肪酶LipS分泌表达的影响[J]. 《中国生物工程杂志》， 2015， 35