传染性蛋白的“负面”和“正面”（10）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2018年第12期第12页）

3.9 Prion 型的纤维蛋白发出降解自己的信号Prion 型的蛋白结构，由于自身结构的特殊性，还可用于输出信号。例如血管受损时，血液会从血管破裂处流出，如果没有机制阻止此过程，就会造成持续出血。生物采取的办法是形成血块，堵住破损处。这主要是由纤维蛋白（fibrin）实现的。

纤维蛋白平时以纤维蛋白原（plasminogen）的形式在血液中存在。当有组织伤害时，纤维蛋白原被凝血酶（thrombin，又称为纤维蛋白酶）转化为纤维蛋白。纤维蛋白分子聚合成链，并与凝血因子XIIIa（blood factor XIIIa）交联，形成网状结构，包裹血细胞和血小板，形成血块，堵住血管破损处。

但是血管内也不能只生成血块，而在伤口恢复后不加溶化。血块是具有危险性的结构，一旦脱落会造成血管栓塞，导致严重后果。而溶解血块的信号正是由Prion 型的纤维蛋白发出的。纤维蛋白在聚合形成血块时，分子结构改变不大，含有α－螺旋和β－折叠2种结构，但是随着血块的“老化”，纤维蛋白逐渐转变为Prion 型的结构，能结合硫黄素T。这个结构能被“组织特异性纤维蛋白溶酶原活化物”（tissue-type plasminogen activator，tPA）所识别。tPA 是一种蛋白酶，在与Prion 型的结构结合后被活化，活化的tPA 将纤维蛋白溶酶原转变为纤维蛋白酶（plasmin）。纤维蛋白酶就能降解纤维蛋白，将血块溶化。

因此，Prion 型的蛋白结构本身也是一种信息，可被生物所识别利用。血液中的组织特异性纤维蛋白溶酶原活化物tPA 是识别这种结构的受体，并以活化纤维蛋白酶的方式作出反应。

3.10 细胞的程序性坏死需要Prion 型的结构传递信息 动物体内的细胞有2种死亡方式，被动的和主动的。机械伤害及病毒在细胞内的大量繁殖，都会造成细胞被动破裂。细胞的内容物，包括溶酶体的水解酶被释放到细胞外，引起组织破坏和炎症，称为细胞坏死（necrosis）。在形态学上表现为细胞膜破裂、细胞内容物释放的一类细胞死亡方式。历史上，细胞坏死曾被认为是细胞在不良外界因素（包括物理性因子、化学性因子及病理性因子等）的损伤下发生的被动死亡事件。但研究表明，许多形式的细胞坏死也是在细胞自身基因编程控制下自主有序进行的，也属于程序性细胞死亡的范畴。

细胞坏死是细胞最坏的死亡方式，因此，生物也发展出了让细胞主动死亡，但后果不那么有害的方式，这就是细胞的程序性死亡 （programmed cell death）。历史上曾有人将程序性细胞死亡等同于细胞凋亡（apoptosis）。在细胞不再被需要（例如蝌蚪在变青蛙时尾巴的细胞必须消失）、受到病毒侵害，或已经不可再被修复时，生物会主动让细胞死亡，这样不仅可减少病毒在细胞内繁殖的时间，而且程序性的细胞死亡还可通过对周围组织无害的方式让细胞死亡，例如将细胞内的DNA 切成碎片，蛋白质降解，并将细胞这样形成的内容物“打包”，形成很多由膜包裹的小囊，被周围的细胞吞食掉。这样就避免了细胞内容物外泄所造成的组织伤害。

细胞的程序性死亡主要是由一类被称为“胱天酶”（cysteine-aspartic protease，caspase）的蛋白执行的。之所以称为胱天酶，是因为这类蛋白酶的催化反应中心含有半胱氨酸残基，且在其他蛋白肽链中的天冬氨酸残基处将肽链切断，因此与其他蛋白酶不同，是细胞程序性死亡专用的酶。人类有10种以上胱天酶，在细胞程序性死亡的不同阶段起作用。细胞的程序性死亡涉及极为复杂的信号传递过程，本文只介绍其中的关键步骤。

胱天酶8（Caspase8）负责接收细胞外的死亡指令，启动死亡程序的“上游”。例如身体向肿瘤细胞发出死亡信号，即让肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）结合到肿瘤细胞表面的TNF受体上，受体结合TNF 后，通过一个“死亡分子”（Tumor necrosis factor receptor type 1-associated DEATH domain protein，TRADD）活化另一个蛋白分子RIP1（receptor-interacting protein 1）。RIP1又可以活化胱天酶8，从而启动细胞死亡的程序。

虽然细胞的程序性死亡是最“理想”的细胞死亡方式，但在有的情况下此路不通，例如病毒抑制了胱天酶的活性。为了绕过胱天酶这条死亡路线，细胞改用在细胞膜上“打洞”的方法让细胞死亡。这时活化的RIP1蛋白和一个与它非常相似的蛋白RIP3结合。由于RIP1和RIP3都有蛋白激酶（在其他蛋白分子上加上磷酸根）活性，它们相互使对方磷酸化。这2个分子的磷酸化使得它们形成聚合物。此聚合物可被硫黄素T 染色，染色后荧光强度增加，发射峰移至485nm；也结合刚果红，并将刚果红的吸收峰从470nm 移至540nm。这些结果都说明，由RIP1和RIP3形成的聚合物具有Prion 型的结构特征。

而这样Prion 型的结构就具有传递信号的能力。它能使蛋白MLKL（mixed lineage linase domainlike）磷酸化。磷酸化的MLKL 能彼此聚合，在细胞膜上形成孔洞，使细胞内容物外泄，造成细胞死亡。细胞的这种死亡方式类似于细胞坏死（例如都让细胞内容物外泄），但又是程序控制的，目的是让细胞快速死亡，因此被称为细胞的“程序性坏死”（necroptosis），而Prion 型的蛋白结构在细胞的程序性坏死中的作用不可或缺。

3.11 椰汁中的杀菌肽形成Prion 型的结构 椰汁，即椰子（Coco nucifera）果实中的液体部分，含有一种具有杀菌功能的肽链，称为椰汁杀菌肽（cn-AMP2）。此肽链只含有11个氨基酸残基，且肽链会聚合，其结构能结合刚果红和硫黄素T，并表现Prion 型蛋白结合这2种染料后的光线性质，说明cn-AMP2的聚合物具有Prion 型的结构。

检查这条肽链的氨基酸序列，发现其中并不含有酵母Prion 功能域中所富含的谷氨酰胺和天冬酰胺，说明其他氨基酸序列也能形成Prion 型的结构。这条肽链的杀菌功能也许与引起老年痴呆症的Ab 肽链一样，也是以其低聚物的形态使细胞死亡的。

3.12 真菌使用Prion 型蛋白HET-s 使入侵的真菌细胞死亡 与动物用Prion 型的蛋白传递信息，导致细胞程序性死亡类似，真菌也利用Prion 型的蛋白实现细胞的程序性坏死。

不同株的柄孢霉（Podospora anserina）的菌丝有时可相互融合，一起生长，有时却彼此不相容，一旦不同株的菌丝彼此融合，就会造成一种菌丝的死亡，称为“异核体不相容”（heterokaryon incompatibility），其目的是防止同种寄生（一种生物个体寄生在同种的另一个生物个体上），以及防止被另一种个体中所含的病毒所感染。研究发现，造成这种不相容现象是一个称为het的基因（het 是异核体不相容英文名称的前3个字母）。2个不相容的柄孢霉所含的het基因有微小差别，生成的蛋白也有些许差别，分别称为HET-S 和HET-s（大写字母表示蛋白质，斜体小写表示基因）。

HET-S 和HET-s 都由289个氨基酸残基组成，但有13个氨基酸残基不同，其中最重要的是第33位的氨基酸，在HET-S 蛋白中是组氨酸，而在HET-s 中变成了脯氨酸。这2种蛋白都含有类似的氨基端和羧基端。其中羧基端含有2个由21个氨基酸残基组成的重复序列，能转变成为横向β-折叠，使分子形成聚合物。这样的结构能结合刚果红，并在偏振光显微镜上呈现苹果绿色的双折射现象，也结合硫黄素T，证明这样的聚合物具有Prion 型的结构。

HET-S 蛋白在羧基端变为Prion 型结构时，也改变自身的结构，分子移动到细胞膜，在细胞膜上形成孔洞，使细胞内容物外泄，造成细胞死亡。因此在HET-S 型的菌株中，HET-S 蛋白是不能以Prion 型的结构存在的，因为这会造成细胞的死亡。但是在HET-s 蛋白中，第33位氨基酸残基的改变使它失去在细胞膜上穿孔的能力，所以即使蛋白变成为Prion 型的结构，细胞仍然能生存。出于此原因，90%的HET-s 菌株中，HET-s 蛋白都是以Prion 型的结构存在的。

当HET-S 菌株的菌丝与HET-s 菌株的菌丝融合时，处于Prion 型结构的HET-s 蛋白能使HET-S 蛋白的羧基端也变为Prion 型的结构。这个改变使HET-S 蛋白获得了在细胞膜上穿孔的能力，使得HET-S 的菌丝死亡。

有趣的是，HET-S/s 蛋白羧基端中的21残基重复序列和RIP1/3分子中形成Prion 型结构的功能域是同源的，即它们含有一些共同的氨基酸序列，因此可能来自共同的祖先。而HET-S 的氨基端又与RIP1/3的效应分子MLKL 有共同的氨基酸序列，所以这2个能在膜上穿孔的蛋白功能域也可能有共同的起源。这说明这类Prion 蛋白的功能域出现的时间非常早，在真菌和动物这两大类生物分开之前就出现了。但动物细胞的结构比真菌细胞复杂得多，其调控机制也相应复杂得多。在动物中，RIP1/RIP3S 是通过MLKL 这个效应分子在细胞膜上穿孔的，而羧基端变成Prion 型结构的HET-S 本身就是效应分子，直接在细胞膜上穿孔。

这2类蛋白的Prion 功能域与酵母的Prion 的功能域不同，并不富含谷氨酰胺残基，说明它们与酵母的Prion 蛋白有不同的来源。

4 小结

从本文介绍的内容可以看出，蛋白的肽链要折叠成为适合其功能状态的结构是一个非常精细和脆弱的过程。由于肽链不同折叠形式之间能量障碍非常小，许多微小的因素都能使肽链从一种折叠状况转变为另一种折叠状况。尽管演化过程已对肽链中的氨基酸序列进行了“优化”，尽量避免会形成Prion结构的氨基酸序列，但由于基因突变所引起的氨基酸残基的改变是不可避免的，也是不能预期的，总会有基因突变使得蛋白易于折叠成为Prion型的结构，导致各种淀粉样变性病。尽管生物发展出了各种预防机制，以应对蛋白可能出现的折叠错误，包括发展出伴侣蛋白，以及消灭折叠错误的蛋白的机制，但这样的机制也不能做到100%有效，且随着生物年龄增长也会降低效能。因此，由蛋白折叠错误而引起的疾病不能被完全避免。

另一方面，Prion 型的蛋白结构由于其稳定性和结构特点，又可以被用于执行一些正常的，甚至是非常重要的生理功能，包括形成功能性结构、储存、记忆、作为模板，以及信息传递等。这些功能已成为生物生命活动不可或缺的部分，演化过程中也不会消除它们。因此，生物所面对的是一种两难的境地： 一方面要尽量减少肽链折叠错误所引起的负面后果，另一方面又要保留那些有正面作用的折叠“异常”。然而，生物的演化并没有“设计者”事先规定如何处理每一种折叠异常的情况，只能通过这些折叠变化所引起的后果确定淘汰或保留这些变化，就像本文中所看到的这样。

（完）