談信號肽及蛋白質分選轉運

楊春蕾

【摘 要】 生物科學家一直想揭開遺傳物質的奧秘，而對基因的探索離不開對蛋白質結構與功能的詳細解讀，蛋白質是生命活動的主要承擔者，而其在合成、分選和轉運的過程中，信號肽起著十分重要的作用。本文就信號肽的結構和功能，蛋白質分選轉運類型與途徑等方面進行詳細分析，闡述了信號肽對蛋白質的定位重要作用，探究信號肽的研究在生物蛋白質、醫療、制藥等方面的應用情況，以及對信號肽研究的未來展望。

【關鍵詞】 信號肽 蛋白質 分選轉運 實際應用

1 信號肽與蛋白質分選轉運

1.1 信號肽的結構與功能

信號肽引導并定位蛋白質新生肽鏈，類似于一段具有特定的“條形碼”，位于蛋白質的N端氨基酸序列，一般由20左右個氨基酸殘基組成，包括疏水核心區、信號肽的C端和N端三部分。信號肽可以引導翻譯的核糖體及多肽鏈附著到粗面內質網膜上，穿入內質網膜，經內質網上的信號蛋白酶剪切清除后，肽鏈繼續延伸。

1.2 蛋白質分選轉運

蛋白質根據自身特定的信號序列，從一開始的合成部位，經過組裝，到形成成結構與功能的復合體，各就各位地參與各項生命活動，這一過程稱為蛋白質的定向轉運或蛋白質分選。

1.3 蛋白質分選轉運類型與途徑

蛋白質分選轉運分為門控運輸、跨膜運輸和膜泡運輸等，但都涉及到信號肽的介導和靶細胞器上受體蛋白的識別。按照蛋白質合成與轉運同步與否，其分選途徑可分為兩大類：共翻譯轉運機制，即蛋白質在游離核糖體上開始合成，后由信號肽引導轉移到粗面內質網中，新生肽邊合成邊轉入粗面內質網腔或定位在內質網膜上，運至再經高爾基體加工包裝轉運至溶酶體、細胞質膜或細胞外；后翻譯轉運機制，即在游離核糖體上合成多肽鏈后，再轉運至膜圍繞的細胞器，如線粒體、葉綠體、細胞核等，或稱為可溶性蛋白。

2 信號肽在蛋白質分選轉運中的作用

2.1 信號肽對分泌蛋白的作用

分泌蛋白在粗面內質網上的合成由蛋白質N端的信號肽、信號識別顆粒、內質網膜上信號識別顆粒的受體和轉運體等因子共同協助完成。

以共翻譯轉運機制為例，分泌蛋白在合成過程中，首先在細胞質基質游離核糖體上合成N末端的信號肽，后其暴露出核糖體并與信號識別顆粒結合，導致肽鏈延伸暫時停止，防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內質網膜上的受體識別結合。新生肽與內質網膜上的移位子結合，信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體，返回細胞質基質中重復使用，肽鏈又開始延伸。信號肽穿入內質網膜并引導肽鏈 經由膜蛋白質構成的孔道到達內質網腔內，而位于腔表面的信號肽則被信號肽酶水解，肽鏈合成后，核糖體從內質網上解離。在整個過程中，信號肽起到了很關鍵的指導作用。

2.2 信號肽對穿膜蛋白的作用

以單次跨膜為例，這類肽鏈除N-端有一段起始轉移信號肽序列外，在肽鏈內部還有一段停止轉移序列。在信號肽引導肽鏈的轉移過程中，當停止轉移序列進入轉運體并與之相互作用時，肽鏈轉移終止。N-端信號肽釋放，停止轉移序列形成跨膜結構，使得肽鏈的C-端滯留于胞質一側。

此外，還有些蛋白質的信號肽位于肽鏈中部，被稱為內信號肽。隨著肽鏈延伸，當內信號肽序列到達轉運體時，也會被保留在類脂雙分子層中，形成跨膜結構。可見，穿膜蛋白的形成也是離不開信號肽的。

3 信號肽研究的應用實例

3.1 蛋白亞細胞定位的研究

在生物領域的《Nature Methods》一書中，整理出的2016年最值得關注的幾項技術中，有蛋白定位亞細胞圖譜，即標記細胞某些區域中的蛋白質，確定該區域中所有蛋白質。目前，有很多人都對蛋白亞細胞定位的研究做著嘗試和突破，如Life Technologies生物技術公司就利用了信號肽的功能。其將熒光標記蛋白的基因插入某一特定基因內，同時，用PCR的方法把信號肽序列擴增，融合到目的基因的N端，通過信號肽的參與，能將表達的熒光蛋白引導定位到亞細胞器中，如核、質膜、內質網、高爾基體和過氧化物酶體等等，此時這些結構融合了熒光蛋白后會發出熒光，用顯微鏡、熒光針、熒光激活細胞分選儀等都可以看見。這種將信號肽與表達載體結合的方式，可準確且特異地定位到亞細胞區室和結構，使得對細胞內部的研究又更深一步。

3.2 在外源基因表達中的重要作用

枯草芽孢桿菌能夠分泌胞外蛋白，為此人們可以通過枯草芽孢桿菌來研究蛋白質表達和分泌，進而可以了解外源基因表達和分泌的過程。科學家研究發現枯草芽孢桿菌的信號肽的疏水區部分影響蛋白質的分泌，疏水區過長或過短對蛋白質的分泌有不利。通過對信號肽研究得出，在研究外源基因表達時，信號肽在很大程度上影響外源基因表達。不同種信號肽對同一種蛋白的引導效率是不同的，同樣，在不同的表達系統中信號肽的分泌效率也不相同，可以明顯地影響表達分泌水平。所以，選擇信號序列時要選用有高促進作用效果的，同時也可能需要對已有的信號肽調節和改造，以達到最佳效果，使該蛋白可以高效地在系統中表達，同時不斷組合和優化，使更多種的蛋白可以表達。例如在應用到實際的蛋白藥物生產過程中，要根據不同的目的基因和載體，選擇不同的信號肽，以生產出高產高質的藥物蛋白。

4 對信號肽研究的未來展望

信號肽研究不僅具有深刻的理論依據，還具有廣闊的應用前景，特別是在生物制藥、蛋白質生產、細胞工程等行業。在進一步闡釋信號肽運行機制的基礎上，可以利用已知或潛在的信號肽進行定向的生物蛋白改造，使目的蛋白定位到指定的部位并發揮相應功能。另外，隨著對信號肽本質的充分認識，將有可能尋找到更多的外源蛋白分泌途徑的信號序列，這將為人類解釋疾病發病過程、定向特異靶點的信號研究開辟一個嶄新的天地，成為基因治療疾病研究中的一個強有力的入手點。

總結

人們在探究生物活動規律和生命現象的科學道路上不斷前行，對分子生物探索已經進入了到后基因組時代，生物科學家一直想揭開遺傳物質的奧秘，而基因的研究離不開對蛋白質結構與功能的詳細解讀。從信號假說的提出，到對最初“信號假說”概念的打破即發現了C端的信號肽，人們逐漸發現信號肽對蛋白質的定位重要作用，及信號肽對生物蛋白質、醫療、制藥等方面的諸多應用。生物科技間正相互推動發展著，若想在生物科學的道路上越早走越遠，要敢于大膽猜測，并不斷探索，潛心研究，并將得到研究成果合理應用到實際生產生活，成為能為科學和人類社會做出貢獻的科學工作者。

參考文獻

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