传染性蛋白的“负面”和“正面”（7）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2018年第9 期第9 页）

3 传染性蛋白的生理功能

在本文的前面2 部分中，已详细介绍了传染性蛋白产生的机制及其致命的后果。但是，生物演化所创造的奇迹是无穷无尽的，能利用各种机制为自己的生存服务。传染性蛋白出现的时间非常早，在原核生物中就已经存在，即已有几十亿年的历史。在这几十亿年的时间内，难道生物就没有开发出利用这种现象的机制？换句话说，Prion 型的蛋白特殊结构有没有正面的作用，执行一些正常的生理功能？

例如Prion 型的结构是高度规律的，这样的结构能否被用于建造生物材料，或用作其他分子聚合的模板？淀粉样聚合物是高度浓缩的，这样的结构能否被作为储存物质的一种方式？淀粉样聚合物是高度稳定的，能否被用于储存需要长期保留的信息？淀粉样聚合物的特殊结构，能否用于传递信息？研究证明，人们所设想的传染性蛋白起正面作用的所有例子，生物都已经用自己的方式加以实现了，且使用的巧妙程度远超出人们的想象。传染性蛋白的作用还真的可以是正面的。

这些蛋白形成Prion 型的结构，就不再是失去生理功能，而是获得生理功能，因此这些蛋白质在绝大多数情况下都会进入自己的功能状态，即Prion 型的结构。这与致病的传染性蛋白只以小概率变为Prion 型结构的情形形成鲜明对比。

在文章的这一部分中，将介绍生物对传染性蛋白加以正面利用的各种方式，其中包括作为“建筑材料”、储存方式、“分子手铐”、聚合模板、“记忆元件”，以及通过自己的特殊结构传递信息等。

3.1 Prion 型的蛋白作为生物的“建筑材料” 蛋白分子作为身体“建筑材料”的例子很多，例如人的毛发和指甲、鸟类的喙和羽毛、动物体表的各种鳞片、细菌的鞭毛、原核生物的细胞内的“骨架”（由MreB 蛋白、FtsZ 蛋白、CreS 蛋白聚合成的长丝）、真核生物的“细胞骨架”，包括微管（microtubule）、中间纤维（intermediate filament），以及肌 纤蛋白微丝（actin microfilament）等。这些蛋白质分子含有大量的α－螺旋，在聚合时分子结构基本不变，也不结合能够染Prion 型蛋白的染料刚果红（Congo red，CR）和硫黄素T（Thioflavine T，ThT，见本文第1 部分），因此不是Prion 型结构的聚合物。

而由横向β-折叠形成的聚合物，由于具有自己的结构特点，也可以被利用于建造一些特殊的生物材料。特别是当这些材料是在多细胞生物的体外或在单细胞生物的细胞外时，这些聚合物就不容易对生物体造成损伤。蚕丝和蜘蛛丝是Prion型聚合物在多细胞生物体外形成结构的例子，而细菌的菌丝和菌膜是Prion 型聚合物在单细胞生物的细胞外形成结构的例子。

3.1.1 蚕丝和蜘蛛丝由Prion 型结构的蛋白组成 蚕丝是家蚕（Bombyx mori）做茧时使用的材料。蚕丝织成的蚕茧坚韧透气，可用于保护蚕完成从蛹到孵化为蚕蛾的变化过程。蚕丝几乎全部由蛋白质组成，其中70%～80%为蚕丝蛋白（fibroin），20%～30%为丝胶蛋白（sericin）。蚕丝蛋白组成蚕丝的中心部分，丝胶蛋白在外，将蚕丝蛋白的纤维包裹在一起。

家蚕分泌蚕丝蛋白和丝胶蛋白的腺体是由唾液腺转变而来的，因此蚕吐丝是通过口部下唇上的孔实现的。蚕丝蛋白和丝胶蛋白在刚被合成时的环境为弱碱性（pH 值为8.2），此时这2 种蛋白是高度溶于水的，还可以在高浓度（大约30%蛋白质）的状态下被储存，且2 种蛋白的结构都是无定型的。蚕在吐丝时，这2 种蛋白经腺体的管道到达吐丝口，途中管道的酸碱度不断降低，从初始的pH 值为8.2 逐渐降低至pH 值为6.2，这主要是通过管道壁上的质子泵和碳酸酐酶（carbonic anhydrase，催化将水和二氧化碳变为碳酸氢盐和氢离子的反应）的作用实现的。氢离子浓度的增高会使蛋白侧链上的羧基质子化，从-COO-变为-COOH。该反应减少了肽链上的负电荷，且蛋白经过管道时受到剪切力（shear force），使得肽链发生折叠，形成β-折叠，其中就包括Prion 型的结构。

蚕丝蛋白分为重链和轻链。重链分子量为350 kDa，轻链分子量为25kDa。重链的两端各有一个亲水的氨基端和羧基端，其中氨基端由131个氨基酸残基组成，在pH 值降低时会变为Prion型的结构，而羧基端则负责与轻链结合。在重链的中间部分则是由富含甘氨酸和丙氨酸的重复序列组成，其中的丙氨酸残基上的丙基-CH（CH3）2像拉链上的齿，能彼此咬合，对蚕丝蛋白纤维的机械性能具有重要意义。

蚕丝蛋白的轻链含有富含精氨酸残基和赖氨酸残基的重复序列，由于它们的侧链都带有自由氨基，所以在生理环境中是带正电的（氢离子能与氨基氮的未用电子对结合）。在pH 值降低时，轻链也会形成Prion 型的β-折叠。

丝胶蛋白含有大量由38 个氨基酸残基组成的重复序列，其中丝氨酸残基（serine）的比例高达38.1%，丝胶蛋白（sericin）也因此得名。人工合成的丝胶蛋白会迅速形成为横向的β-折叠结构，可被刚果红染色，并在偏振光显微镜下呈现苹果绿的双折射现象，说明它们形成的结构与Prion 分子的结构非常相似。

这样，蚕丝蛋白重链的氨基端、蚕丝蛋白的轻链及丝胶蛋白，在pH 值降低时都会变为Prion 型的横向β-折叠，使得蚕丝蛋白从可溶状态变为固体状态。

蛛丝是蜘蛛生产的蛋白质性质的纤维，有多种用途，包括形成蛛网的蛛丝，包裹蛛卵起保护作用的蛛丝，以及缠绕猎物以防其逃脱的蛛丝。在蛛网中，辐射方向的蛛丝和螺旋状的蛛丝成分并不相同。因此同一个蜘蛛常能分泌6～7 种蛛丝。辐射方向的蛛丝及蜘蛛将自身吊在空中的蛛丝要承受很大的拉力，叫曳丝（drag silk）。组成曳丝的蛋白主要是蛛丝蛋白（spidroin）。

与蚕丝蛋白类似，蛛丝蛋白在刚产生时也是水溶性的，没有固定的结构，可在高浓度下被储存。当蛛丝蛋白被排出体外时，腺体管道的pH 值不断降低，由初始时的pH 值为7.6 降至出口处的pH 值为5.7。此pH 值降低过程也是质子泵和碳酸酐酶作用的结果。酸度的增加使得蛋白侧链上的羧基质子化，从-COO-变为-COOH，减少肽链上的负电荷，使得肽链的形状发生改变，形成β-折叠，包括Prion 型的β-折叠。

蛛丝蛋白在结构上非常类似于蚕丝蛋白的重链，即中间部分含有许多富含甘氨酸和丙氨酸残基的重复序列，在其两端也有性质不同的氨基端和羧基端，但蛛丝的氨基端和羧基端在氨基酸序列上与蚕丝蛋白重链的氨基端和羧基端有所不同。蛛丝蛋白的氨基端在pH 值降低时会形成二聚体，但不像蚕丝蛋白重链的氨基端那样形成Prion 型的β-折叠，而蛛丝蛋白的羧基端在pH 值降低时却会转变为Prion 型的β-折叠。

在弱碱性环境中，使蚕丝蛋白、丝胶蛋白和蛛丝蛋白处于可溶的高浓度状态以便储存，又通过改变pH 值减少肽链的负电荷而改变折叠状况，变为不溶于水的淀粉样聚合物，形成机械性能优越的蚕丝和蛛丝，是家蚕和蜘蛛对传染性蛋白结构的巧妙应用。在体内储存时，偏碱的pH 值使得这些蛋白处于水溶性状态，既没有Prion 型的结构，对动物也没有害处。只有当这些蛋白被排出体外时，pH 值的降低才使得这些蛋白转变成为不溶于水的Prion 型的结构。通过这种方式，家蚕和蜘蛛既利用了Prion 型结构的优点，又避免了该结构在形成过程中可能产生的毒性，是一个非常“聪明”的办法。

3.1.2 大肠杆菌的菌毛由Prion 型结构的蛋白组成 传染性蛋白不仅可以被动物用于形成体外结构，例如上文所述的蚕丝和蛛丝，更原始的生物，例如原核生物中的细菌，就已经使用Prion 型的蛋白建造细胞外部的结构，这就是细菌的菌毛和细胞外基质。

例如，能引起尿道感染的大肠杆菌，在细胞的外膜上长有细长而弯曲的蛋白性质的细丝，称为菌毛（curli），使细菌附着于尿道内壁。菌毛可被刚果红染色，且刚果红结合于菌毛上后，其吸收峰值从480 nm 变为541 nm，这正是Prion 型蛋白的特征（见文章第1 部分）。菌毛也可以结合另一个用于鉴定Prion 型结构的染料硫黄素T（ThT），且ThT在结合菌毛后发射光的峰值红移至482 nm，与ThT 结合于其他典型的Prion 型结构时相同。这些结果都说明大肠杆菌的菌毛是由Prion 型结构的蛋白所组成的。

大肠杆菌的菌毛由2 个蛋白亚基组成，称为CsgA 和CsgB，分别由CsgA基因和CsgB基因编码，在这里Csg 的意思是菌毛特异基因（Curli specific genes）。CsgA 蛋白以无结构的肽链被分泌至细胞外，与附着于细胞外膜的CsgB 蛋白结合，此过程启动了蛋白结构的改变，从无定型的结构变为横向β-折叠的结构，即Prion 型的结构。

CsgA 和CsgB 蛋白都由151 个氨基酸残基组成，有30%的序列相同，也都含有5 个相似的重复序列，说明这2 个蛋白都有变为Prion 型蛋白的能力。例如，缺少羧基端19 个氨基酸残基的CsgB不再能附着于细菌的外膜，以分泌蛋白的形式被转移至细胞外，在那里就会形成Prion 型的结构。可能是CsgB 先形成Prion 型的结构，然后将结合于它的CsgA 蛋白也转变为Prion 型的结构。

为CsgA 和CsgB 蛋白编码的基因和另一个基因，CsgC（功能尚不明确），存在于同一个操纵子（operon）csgBAC 中，即它们共用一个启动子，以便3 个蛋白的表达能协调一致。CsgA 分泌出外膜需要经过由CsgG 蛋白在外膜上形成的孔，CsgB 到细胞表面需要CsgF 的帮助，而csgBAC 操纵子的活性又由CsgD 蛋白控制。CsgF 和CsgE 蛋白还有伴侣蛋白（chaperonnin）的活性，帮助CsgA 和CsgB在组装前不会变为其他的结构。而为CsgD、CsgE、CsgF、CsgG 蛋白编码的基因又处于同一个csgDEFG操纵子中。因此，菌毛的形成需要多个蛋白协调一致工作，说明这是细菌在长时期中为了发展和完善菌毛形成而发展出来的复杂调控机制。

3.1.3 枯草杆菌的细胞外基质含有Prion 型结构的蛋白 枯草杆菌（Bacillus subtilis）生活在土壤中，在一定条件下细胞可彼此结合，形成菌膜，以群体的形式应对环境的变化。菌膜的形成主要是通过细胞外的基质（extracellular matrix）实现的。基质主要由2 个部分组成： 一个是细胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）； 另 一个是 主要由TasA蛋白和TapA 组成的细丝。TasA 能形成Prion 型的结构，是菌丝的主要成分，作用相当于大肠杆菌的CsgA。TapA 为菌丝的次要部分，将TasA 蛋白连接到细胞外壁上，同时启动TasA 蛋白变为Prion 型结构的转变，作用类似于大肠杆菌的CsgB。但TapA本身并不形成Prion 型的结构，而是通过其氨基端中的8 个氨基酸残基，触发TasA 蛋白改变折叠方式而形成横向β-折叠的过程。在试管中，提纯的TasA 蛋白也需要一定比例TapA 的存在才能转变为Prion 型的结构。

TasA 和TapA 蛋白的作用还需要第3 个蛋白：SipW。这是一个蛋白酶，可以将TasA 和TapA前体蛋白的信号肽链部分切除，使它们成为细胞外部和细胞表面的蛋白。为TasA 蛋白、TapA 蛋白和SipW 蛋白编码的基因，类似于大肠杆菌的情形，也位于同一个操纵子中，共用一个启动子，以保证这3 种蛋白的生成协调一致。

3.1.4 枯草杆菌的内生孢子壁由Prion 型的蛋白构成 在环境条件恶劣时，一些细菌，例如厚壁菌门（Firmicute phylum）中的杆菌（Bacillus）和梭菌（Clostridium），能改变自身的结构，变成内生孢子（endospore）。内生孢子外面有较厚的壁包裹，细胞里的内容物浓缩，并含有高浓度的吡啶二羧酸钙（Calcium dipicolinate）。这种孢子由细菌自身变化而来，不是繁殖后代的孢子，其目的是在恶劣环境上长期休眠，在条件合适时再恢复生命活动。这种孢子能抵抗干旱、紫外辐射、高温等不利条件而存活成千上万年。最古老的可以复活的内生孢子，是从多米尼加发现的一块琥珀中一种细菌Bacillus morismortui（类似于现今存活的圆形芽孢杆菌Bacillus sphaericus）的内生孢子，经过至少2.5 亿年仍然能复活。

用硫黄素T（ThT）染色这种孢子，发现ThT 的荧光均匀地分布在孢子表面，且ThT 分子发出的荧光在结合孢子后增强，这正是Prion 型蛋白结构的特征（见本文第1 部分），说明Prion 型蛋白的稳定结构也被细菌用于形成长期保护自身的结构。

3.2 Prion 型结构是肽链型激素实现高浓度储存的方式 一些（不是所有）肽链型激素，例如生长激素（growth hormone，GH）、催乳素（prolactin，PRL）、促肾上腺皮质激素（adrenocorticotrophic hormone，ACTH）、胰高血糖素（glucagon）、内啡肽（endorphin）等，由腺体生成，储存于合成它们的细胞内，在接收分泌信号时再释放至血液中。

为了在高浓度下被储存，构成这些激素的肽链折叠状态发生改变，变为横向β-折叠，并形成聚合物。这些聚合物能被硫黄素T（ThT）染色，且染色后的ThT 的荧光强度增加。这些结构也结合刚果红，一种特异结合Prion 型蛋白结构的染料，说明这些聚合物具有Prion 型的结构。这些结果也得到电镜检查和圆二色性测定的证实，说明生物利用了Prion 型蛋白的紧密结构，以高浓度储存蛋白质。

为避免这些蛋白变为Prion 型结构时可能产生的毒性，该聚合过程是在由生物膜包裹的分泌小囊中进行的。由于是分泌型蛋白，这些蛋白在内质网-高尔基体中生成，并包裹在由高尔基体发出的小囊中。当内部的pH 值降低至5.5 左右时，蛋白像蚕丝蛋白和蛛丝蛋白那样改变折叠方式，形成Prion 型的聚合物。在需要分泌时，分泌小囊与细胞膜融合，这些激素分子被分泌至细胞外。

这些肽链型激素是以单体分子的形式发挥生理功能的。为了在分泌至细胞外后又能变为单体分子，这些蛋白分子变为Prion 型结构的过程必须是可逆的。研究发现，在变为Prion 型结构的过程中，只有比较短的肽链部分变成了横向的β-折叠，原有的一些α-螺旋结构仍然存在。例如，人的生长激素由191 个氨基酸残基组成，但只有11 个氨基酸残基（残基72～82）与横向的β-折叠形成有关。分子其余的部分分布在β-折叠纤维的周围，其原有结构尽量保存，这样在环境条件变化时，例如被分泌至细胞外时，蛋白质较易脱离Prion型的聚合物，恢复成单体状态。因此，蛋白分子从非Prion 型的结构变为Prion 型的结构，既可以是不可逆的，像许多致病的传染性蛋白；也可以是可逆的，例如这里介绍的肽链型激素。所以是否可逆，要看蛋白发挥生理功能的形式是什么。

（待续）