天然無序蛋白的結構性質研究進展

阮靖淞

摘 要：天然無序蛋白質是一種新發現的蛋白質。生理條件下的天然無序蛋白質三維結構并不穩定，但其卻有著重要的功能。無序蛋白質比起有序蛋白質有更加特別的氨基酸組成和結構特點，從而表現出有序蛋白質在分子識別過程中沒有的性質。無序蛋白質的發現挑戰了傳統蛋白質的“序列-結構-功能”范式。通過進一步研究無序蛋白質，人們可以更深入地探索蛋白質結構與功能之間的關系，同時也為藥物的研發展示了新的道路。本文根據目前的研究進展，對無序蛋白的發現與功能到結構和性質的研究進展做了綜合闡述，最后分析了無序蛋白的優勢以及與癌癥的關系。

關鍵詞：天然無序蛋白質；蛋白質相互作用；分子識別

中圖分類號：Q51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0226-03

蛋白質作為一種在生命過程中起著至關重要的作用的生物大分子，一直是生命科學研究的重要對象。眾所周知，蛋白質的三維結構決定了其生物功能，只有折疊完全，蛋白質才能發揮生物功能。一直以來，蛋白質的研究普遍遵循“序列-結構-功能”的原則，認為蛋白質的氨基酸序列決定了蛋白質的三維結構、進而決定了蛋白質的生物學功能，因此蛋白質的自然狀態等同于有序立體結構。“序列-結構-功能”范式是蛋白質科學發展的核心圖1所示[1]：然而，有一類蛋白質或蛋白質的結構域，在體外的生理條件下很少或幾乎沒有二級結構，卻仍具有生物學功能。如與細胞周期調控有關的p21和p27、與基因轉錄有關的CBP和p300以及腫瘤抑制因子p53等。不僅如此，無序蛋白質參與了多種多樣的信號通路識別和生物網絡調控，它們在真核生物，特別是多細胞真核生物中起著非常關鍵的作用。隨著研究的進展，人們已經發現了很多這種結構上無序，但仍然具有生物學功能的蛋白質。它們逐漸形成了一類與傳統蛋白質范式不符的新的蛋白質類型——天然無序蛋白質。對無序蛋白的研究開始成為熱點，關于天然無序蛋白質的研究文章正呈指數增長[2]。

1 天然無序蛋白質的發現

上世紀九十年代，隨著X射線晶體學（XRD）和蛋白質核磁共振（NMR）等蛋白質檢測技術的發展，人們發現部分蛋白質沒有確定的三維結構，但實驗證明這些蛋白質具有生物學功能。天然無序蛋白不僅在自然界廣泛存在，而且廣泛參與DNA轉錄、信號傳遞、細胞分裂、蛋白質聚集以及蛋白質相互作用等重要的生理過程。目前，實驗已確認的無序蛋白質收錄在數據庫DisProt中[3]。在新的版本中（5.9版，發布于2012年2月23日），DisProt一共收錄了653個無序蛋白質的詳盡信息，涉及到1421個蛋白質結構域。理論上預測的無序蛋白質的數量則更為巨大，例如，真核生物擁有的無序蛋白質的含量可能占到蛋白質總量的27-41%[4]。

2 無序蛋白質的功能

天然無序蛋白質缺少穩定的二級結構及三級結構，卻有重要的生物功能。研究者應用生物信息學的方法，分析蛋白質的結構無序與蛋白質功能之間的關聯。由此人們發現天然無序結構域可以結合多個配體；同時一個配體上也可以結合多個無序蛋白；天然無序區域還可以連接蛋白質的功能結構域，調控蛋白復合物的功能。無序蛋白質有著許多重要的生物學作用，比如對轉錄和翻譯的調控[5-7]、轉導細胞信號[8-9]、蛋白質的磷酸化修飾[10-12]。

例如Dunker課題組利用無序蛋白質預測方法PONDR研究了無序蛋白質與很多功能的相關性[13]。他們的預測表明在真核生物體內，長度大于30個氨基酸的無序蛋白質片段在轉錄因子中的含量高達90%以上，在E.coli體內也高達62.5%；與信號傳導相關的蛋白質中，有66±6%的蛋白質含有無序片段。

此外，研究者們將結構表征與生化分析相結合，詳盡研究特定蛋白質的性質。人們較為了解的無序蛋白有p21和p27，它們通過抑制細胞周期蛋白依賴性激酶Cdks而起作用[14]。無序蛋白質甚至參與蛋白質的降解，蛋白質末端上的無序區域可以直接引導降解過程，而不需要進行泛素化。

3 無序蛋白質的結構與表征

蛋白質是否具有無序結構是由其一級結構，也就是氨基酸序列決定的。計算分析發現，與常見的有序蛋白質相比，天然無序蛋白質缺少異亮氨酸、半胱氨酸、纈氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和天冬酰胺這些疏水氨基酸，而具有丙氨酸，甘氨酸，谷氨酰胺，絲氨酸，賴氨酸等極性氨基酸，還含有豐富的脯氨酸[15-16]。同時，無序蛋白質序列上常常出現重復的區域。根據無序蛋白序列上的氨基酸偏好，人們發展出了方法預測蛋白質是否無序。首次對蛋白質無序區域的預測是在1997年，由Romero等人完成，其準確性達到了70%[17]。

無序蛋白質的原子位置和主鏈二面角隨著時間發生很大程度的變化，無法用一個或者幾個確定的構象來描述整個蛋白質的三維結構，因此直接的分子動力學模擬所能獲得的信息甚少。不過無序蛋白質有多種多樣的表征手段，許多表征都能對無序蛋白質表征中起到作用，例如X射線衍射、NMR、遠紫外圓二色譜、小角度X射線衍射（SAXS）、粘度測定、凝膠過濾和光學散射法等。人們通常聯合使用多種方法來對蛋白進行綜合的表征，從而更精細地描述和分析無序蛋白結構。

盡管在溶液中單獨存在時是無序的，很多無序蛋白質在與靶標結合后會發生折疊，形成一個更加有序的結構。這個過程通常被稱為折疊與結合的耦合（coupled folding and binding）[18]。這個過程可以發生在與有序蛋白或無序蛋白之間相互結合時。如高度無序的ACTR和熔球態（molten globule）的NCBD結合后兩個蛋白質都折疊形成了有序的結構[19]；而無序多肽淀粉樣β蛋白能以β-折疊片的形式堆積成高度有序的纖維狀結構[20]。

此外，由于細胞的內部環境很擁擠，細胞溶液中充滿了各種大分子、小分子和離子，有研究者提出無序蛋白質在細胞內的擁擠環境下構象可能會有變化。目前有研究小組直接應用NMR方法研究細胞內無序蛋白質的結構。已有的實驗結果顯示不同蛋白質受分子擁擠的環境影響不同，有的無序蛋白質變得有序，也有的沒有什么影響。endprint

4 無序蛋白質的優勢

無序蛋白在分子識別過程中有重要作用，由于越復雜的物種就具有越復雜的分子識別機制，無序蛋白作為一種在真核生物中含量遠遠超過原核生物的蛋白，其在分子識別方面應該有些不容忽視的優勢。無序蛋白質能夠在不同的條件下和多個靶標進行特異性結合是一個被廣泛認同的優勢。另外，同一段無序蛋白質序列在與不同的靶標結合后可以形成不同結構。除了一對多的結合方式以外，無序蛋白質還存在多對一的結合方式。

此外，Shoemaker與Wolynes等人提出了“fly-casting”動力學模型[21]。無序蛋白質結構較為延展，因此能夠從更長的距離上捕捉標靶，完成結合，從而使無序蛋白結合標靶的速度更快[21]。也有學者認為無序蛋白結構不固定的特點能幫助其減小結合的空間維族，從而可以大大降低了結合所需的自由能條件，這個特點所產生的優勢更加明顯，能將結合速度提高數十倍[22-23]。此外，無序蛋白質通常通過較短的片段來與靶標發生結合，這些較短的結合片段之間有著靈活的連接區域，因此無序蛋白可能是一步步斷開部分片段的分子間作用來實現解離；較有序蛋白質的同時斷開所有的連接相比，所需的能量更低，因此解離的速度更快。

蛋白質通過修飾鏈上的氨基酸，如磷酸化等，來進行信號的傳遞。因為無序蛋白質在信號傳遞方面也有生物學功能，所以無序蛋白可能也存在氨基酸修飾。而無序蛋白質的結構更為延展，能夠暴露出更多可修飾的氨基酸位點，從而更易于進行氨基酸修飾。最近對小鼠前腦細胞的蛋白質組學研究進一步確認了無序蛋白質更傾向于進行磷酸化的性質。

5 無序蛋白質與多種癌癥疾病相關

雖然無序蛋白質可動的結構使它們在生物體內能更有優勢的參與分子識別，但是無序勢必會給帶來一些不利的影響[24-25]。例如Dunker課題組發現與人類癌癥有關的蛋白質中，有79±5%的蛋白質含有無序片段；在與心血管疾病有關的蛋白質中，無序蛋白質的含量也高達57±4%[26]。表1格列出了目前研究已經確認的許多與疾病相關的無序蛋白。

6 結語

盡管無序蛋白沒有固定的三維結構，其無序結構也是由氨基酸的構成決定的，因此無序蛋白其實同樣符合“序列-結構-功能”的范式，無序作為蛋白質結構的一種存在形式，也可以實現生物學功能。天然無序蛋白質作為一個新興的研究領域，逐漸獲得了學術界的重視。新的構象表征和分析方法的發展以及新的無序蛋白質的發現不斷促進人們對無序蛋白質結構和功能的認識。經過人們的不斷研究探索，對無序蛋白的認識有了長足的進步，找出了無序蛋白的氨基酸組成特點和結構，發展了多種手段對無序蛋白進行預測。通過預測并且結合結構特征，人們也在一步步探索無序蛋白的生物學功能。同時逐漸探明了無序蛋白在分子識別中較有序蛋白的優勢。并且在疾病方面有了更深入的了解，甚至為藥物研發提供了新的機遇。無序蛋白的研究具有很大的潛力，隨著研究的進一步深入，將來勢必能在諸如分子動力學，分子識別以及疾病醫療方面帶來更大的突破。

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