关于蛋白质折叠机制的研究

蛋白质体内折叠过程影响因素的研

究进展

摘要

对于多肽链到底是如何折叠形成有生物学活性的蛋白质这一问题，近年来一直研究不断。蛋白质的错误折叠可能导致某些疾病的发生，阐明蛋白质折叠的机制将有助于我们治疗甚至从遗传上根除这些疾病。关于蛋白质折叠的研究有体外实验和体内研究方面，而细胞内蛋白质折叠机制的研究显得尤为重要，关于蛋白质折叠体内机制的研究已经取得了许多令人欣喜的进展。本文总结了近几年来在研究影响蛋白质体内折叠过程的一些因素上的最新进展,包括已被证实的概念和突破传统的新理论,以及一些有创新性的预测理论。

How polypeptide chainsfold intobiologically activeproteins? In recent years,scientistshave been studyingthe issue constantly. Misfoldedproteinsmay lead tothediseases. Toclarifythe mechanismofproteinfoldingwill help us totreatmentand eveneradicationofthese diseasesfrom the geneticlevel. There’re two research aspect of protein folding, in vitro andin vivo. In these areas, theprotein folding mechanismsinthecellsis particularly important. Besides, the research about themechanismofproteinfoldingin the cell has important value, and which has been madegratifyingprogress. This paper summarizesthe latest progressin recent years insome of the factorsthat affectthefolding processofproteinsin vivo, including newconcepts andbreak the traditionaltheoryhas been confirmed, as well as someinnovativeprediction theory.

关键字蛋白质折叠机制体内影响因素研究进展

protein folding mechanisms considering folding in thecellresearch progress

关于蛋白质折叠机制的研究一直是生命科学领域中的研究热点。众所周知,遗传信息从DNA转移到效应蛋白的,这一过程的最后一步为新生肽链在翻译后能正确折叠成有三维构象的,生物活性完全的蛋白质。这一过程中如果蛋白质的错误折叠可能导致新生肽链的降解或者蛋白活性的丧失,引起各种人类疾病,包括囊状纤维化疾病和神经退行性疾病的发生。深入了解蛋白质折叠的体内机制对于阐明这些疾病的致病机制和寻找治疗方法将有十分大的帮助。蛋白质折叠成为了生命科学研究的一个经典问题。关于蛋白质折叠的定义，比较狭义的是研究蛋白质在特定的三维空间结构里形成规则的，具有天然稳定性和生物活性的蛋白质的过程。研究对象有理论研究和利用实验方法研究，涉及动力学与热力学问题的讨论。关于机制的研究可在体外或者体内进行。从Anfinsen发现核糖核酸酶在变性后可自发折叠复性，提出了蛋白质折叠的―自组装学说‖以来[1]，随着对蛋白质折叠研究的广泛开展。Anfinsen的―自组装热力学假说‖得到了许多体外实验的证明,的确有许多蛋白质在体外可进行可逆的变性和复性,尤其是一些小分子量的蛋白[2]。但并非所有的蛋白质都符合―自组装学说‖。但是在体内,由于特殊的细胞内环境,蛋白质折叠远非如此。

在体外进行研究多以小分子量蛋白质或者单链蛋白质为目的蛋白模型进行体外模拟折叠，应用的较为广泛的方法是稀释法和利用体积排阻--尿素梯度色谱柱法来将已变性的蛋白质进行复性，进而研究折叠过程和动力学。在溶液中的蛋白质折叠速率可以通过调节pH,温度,盐浓度和是否存在有机溶剂这几个因素来调节[3-6]。了解单体蛋白质在体外正确折叠的条件是了解其在细胞内环境中功能的重要手段。但在体外环境中进行研究并未考虑排除体积效应，粘度影响和非特异性的蛋白间相互作用。而生物细胞体内，胞液环境比体外环境复杂得多，细胞内其他大分子使胞内环境变得十分拥挤，分子间的相互作用使胞液具有相当大的粘度，分子扩散受到阻碍，而且液体浓度也相当高，这一系列的条件使得蛋白质的折叠受一系列复杂而严格的机制调控[7-14]。而在体外研究时，即使设计合理的工艺路线来模拟体内的生物环境也并不能完全和体内一致。因此，蛋白质折叠回归体内研究显得至关重要。

关于蛋白质折叠机制的理论模型，目前公认的有以下几种：框架模型（Framework Model）,疏水榻缩模型(Hydrophobic Collapse Model),扩散-碰撞-粘合机制(Diffusion-Collision-Adhesion Model),成核-凝聚-生长模型(Nuclear-Condensation-Growth Model),拼版模型(Jig-Saw Puzzle Model)等[16]。

由于以上这些理论已经研究得比较透彻，在生命科学里已经取得了国际上的共识，故本文将侧重从不同的角度总结影响蛋白质折叠的因素，并阐述一些新进展和新实验方法。

影响蛋白质体内折叠的因素在目前为止的研究中，大致有以下几种:体内大分子拥挤效应，核糖体在折叠中的作用，分子伴侣系统的作用,mRNA对折叠的影响,空间区域化,进化动力和自然选择[17]。

在2009年，关于蛋白质折叠机制的体内研究有了突破性的新进展。张弓等提出的在翻译共折叠时将进行中的翻译暂停,使新生肽链依旧卡在核糖体上,形成核糖体上的新生肽链（ribosome-bound nascent chainsRNC），翻译的放缓可能允许更多的时间让RNC进行正确折叠[18]。这种新发现使人们可调控蛋白质的折叠过程,从而避免错误折叠。同时他们还发现蛋白质的折叠速率是受mRNA上密码子偏爱性的调节,而不是受DNA序列的调节[19],这一发现对经典的中心法则进行了修改,使人们对生命过程有了新的更深层次的认识。