細菌感染會致病，是蛋白轉運在「搗亂」

細菌感染會致病，是蛋白轉運在「搗亂」

第二看台

人和動物為何會在感染細菌後生病？細菌通常是單細胞微生物，一個細胞即一枚細菌。一些致病菌為了在宿主體內生存、繁殖和擴散，會在細胞內核糖體中製造一些蛋白類的毒力因子，並將這種蛋白分泌到細胞外。即便是非致病菌，也會為了適應其生活環境，向外分泌一些蛋白質。

細菌內部的蛋白質如何「跨膜」？這是學界一直想搞清楚的問題。近期，北京大學生命科學學院研究員李龍、高寧團隊合作為分泌型蛋白「跨膜」瞬間拍照，解析了蛋白轉運分子機制。相關研究成果發表在《自然·通訊》雜誌上。

信號肽做探針 分泌蛋白「掃碼上車」

「蛋白轉運是一個高度調控過程，必然存在某種機制確保細胞內部能夠特異性地將需要分泌的蛋白質轉運出去。」李龍在接受科技日報記者采訪時表示。

早在上世紀70年代就有學者推測，細胞記憶體在一種物質，能夠將待分泌的蛋白識別出來，避免出現將不必分泌到胞外的蛋白運出去這種烏龍事件。1972年，研究人員發現一些免疫球蛋白的前體比成熟體多了20個氨基酸。

1975年，德國學者布洛貝爾等人提出了信號肽假說，將這多出來的20個氨基酸稱為信號肽，如果胞內某種蛋白質的序列上含信號肽，就相當於給該蛋白打上了「待轉運」的「條形碼」，華麗變身成了分泌蛋白，隨後便會有「車輛」載着該蛋白來到細胞膜內側。隨後該蛋白通過細胞膜上的「特殊通道」，被分泌到胞外。該假說後續被一系列實驗證實，布洛貝爾也因此獲得1999年諾貝爾生理學或醫學獎。

運送分泌蛋白的「車輛」是什麼？「它在細菌里可以是一種ATP水解酶，也可以是一種蛋白質，我們將之稱為SecA，由於它載着分泌蛋白運動，故可看成是『馬達蛋白』。」李龍告訴記者，信號肽與分泌蛋白有一一對應的關系，信號肽的種類多樣，通常每種分泌蛋白都有獨特的信號肽「條形碼」。馬達蛋白卻不那麼「講究」，只要是有「條形碼」的蛋白都能成為它的「乘客」，不論是哪種分泌蛋白。

細胞膜上存在一種通道蛋白SecY，它的職責是掃描被馬達蛋白運送過來的分泌蛋白，識別成功後開啟特殊通道，放行分泌蛋白，隨後通道關閉，恢復細胞膜本來的磷脂雙分子層結構。

雖然蛋白轉運的大致過程已經探明，但更深層次的疑惑仍需探究，如為何馬達蛋白能夠非特異性識別信號肽？人們發現的信號肽為何均存在疏水結構？

三種蛋白「一台戲」 相互識別有規律

李龍、高寧團隊利用電子冷凍顯微鏡給正在「跨膜」的蛋白質們拍了一張「照片」，回答了非特異性結合的問題。

事實上，恰好「抓拍」到蛋白質「跨膜」的那一瞬間很難，因為整個蛋白質轉運的過程十分迅速，1秒內能夠完成十幾個蛋白質的轉運，所以此前學界還沒有人拍到這種照片。此次兩個團隊另闢蹊徑，給細胞「投餵」了ATP類似物，將轉運過程鎖定在「跨膜」的階段，再將蛋白冷凍下來，用電鏡拍照片，將瞬間永久定格。

研究人員分析發現，馬達蛋白能夠與分泌蛋白的主鏈通過氫鍵結合，折疊成片層結構。而蛋白質的種類是由其側鏈上的氨基酸序列決定的，不同分泌蛋白的主鏈序列是一致的。這就明確解釋了馬達蛋白對分泌蛋白「來者不拒」的原因。

至於信號肽的疏水結構，李龍等人早年在《自然》雜誌上發表文章，討論過這個問題。細胞膜的磷脂雙分子層本身即為疏水結構，膜上的通道蛋白SecY能夠識別出同樣具有疏水結構的信號肽，並將其釘扎在細胞膜上，隨後細胞內的信號肽酶會將信號肽和分泌蛋白切割，分泌蛋白「跨膜」而出，信號肽則被降解，轉化成基本物質氨基酸，參與到下一次的細胞活動中。

「這兩次研究相當於兩張半圖，拼接成了一張完整的『跨膜』圖片。」李龍說，但整個蛋白質轉運過程並非只是一張「跨膜」瞬間的圖片就能解釋清楚的，它是個動態的過程，需要無數張圖片匯成一個動態圖像才能真實重構出蛋白質轉運的真實歷程。這將是研究人員下一步的研究課題。