如何三步搞定蛋白質(zhì)的“千變?nèi)f化”

王方軍

《西游記》中，孫悟空有七十二般變化。其實，人體內(nèi)的蛋白質(zhì)也具有“千變?nèi)f化”的本事——幾秒鐘內(nèi)就能改變自身“面貌”，提升“戰(zhàn)斗力”（活性），行使不同的生物學(xué)功能。這就是蛋白質(zhì)翻譯后修飾，多少年來，研究者們都對此無所適從。

人體內(nèi)約有2萬個基因，直到2001年，科學(xué)家才初步解析了人類的全基因組序列。蛋白質(zhì)由基因翻譯合成而來，按理說，人類的2萬個基因能翻譯合成2萬種蛋白質(zhì)，解析人類全部蛋白質(zhì)似乎指日可待。但事與愿違，這2萬種基因編碼蛋白質(zhì)個個都是“千變?nèi)f化”的孫悟空，而且具有超過400種不同變化。不同的變化還可能同時進行、動態(tài)變化。也就是說，人體內(nèi)發(fā)生的蛋白質(zhì)翻譯后修飾種類超過400種，可以單獨或多種同時發(fā)生于某個特定時空的蛋白質(zhì)上，使得人體內(nèi)蛋白質(zhì)種類急劇增加，總數(shù)超過一億種。

那么，如何將一個個“改頭換面的孫悟空（修飾蛋白質(zhì)）”從人體內(nèi)茫茫蛋白質(zhì)大海中尋找出來呢？這就需要我們發(fā)展蛋白質(zhì)翻譯后修飾規(guī)模化分析方法——練就能同時識別成千上萬個“真假悟空”的火眼金睛。

為此，蛋白質(zhì)翻譯后修飾分析實現(xiàn)了“三步走”戰(zhàn)略。

第一步：挑出來。該分析的第一步，是如何將具有某一類特定變化（如磷酸化）的蛋白質(zhì)從海量的干擾蛋白質(zhì)中高選擇性地“捕獲（富集）”出來。這如同天文學(xué)家要從茫茫星辰大海中把適合人類居住的行星找出來一樣困難。

捕捉修飾蛋白質(zhì)的任務(wù)主要由分析化學(xué)家承擔(dān)，他們設(shè)計出了像導(dǎo)彈一樣可以選擇性追蹤并捕獲修飾蛋白質(zhì)的特殊材料，稱為“親和富集材料”。親和富集材料的優(yōu)劣體現(xiàn)在兩個方面，第一是選擇性要高，盡可能減少錯誤目標(biāo)的捕獲，第二是效率要高，盡可能捕獲更多的正確目標(biāo)。這與材料本身的性質(zhì)，如比表面積、親水性、生物兼容性等相關(guān)，也與材料上面的“制導(dǎo)系統(tǒng)（選擇性富集功能基團）”的化學(xué)性質(zhì)，如親和力、選擇性等相關(guān)。

因此，分析化學(xué)家在設(shè)計和合成修飾蛋白質(zhì)親和富集材料時，需要綜合運用化學(xué)、材料學(xué)等多方面知識，極具挑戰(zhàn)性。以磷酸化蛋白質(zhì)富集為例，我國分析化學(xué)家在聚合物微球、介孔納米材料等多種基質(zhì)材料上，通過化學(xué)修飾手段螯合了可以與磷酸化蛋白質(zhì)上磷酸根選擇性結(jié)合的金屬離子，可以高選擇性捕獲磷酸化蛋白質(zhì)，選擇性高達90%以上，處于國際領(lǐng)先水平。

第二步：排好隊。分析的第二步是將捕獲到的修飾蛋白質(zhì)盡可能有序分離，以便后續(xù)確定每一個的獨特身份。但是，修飾蛋白質(zhì)亂糟糟地混在一起，如何對它們進行排序呢？這就需要應(yīng)用分析化學(xué)家發(fā)明的一項分子排序（分離）技術(shù)——液相色譜。

液相色譜將要分離的復(fù)雜樣品溶解于液體流動相，并高速通過一根填滿固定相材料的柱子，因樣品中的分子與固定相和流動相的作用力差異，通過柱子的速度各不一樣，依次在柱子的出口端按順序離開。

然而，富集出來的修飾蛋白質(zhì)種類仍然十分復(fù)雜，分析化學(xué)家需要設(shè)計和組合使用多種液相色譜分離模式對其充分分離。其中，最常用的是離子交換色譜和反相色譜。在修飾蛋白質(zhì)高分辨色譜分離方面，我國科學(xué)家發(fā)明了高低pH值二維反相色譜系統(tǒng)等先進技術(shù)，對人肝磷酸化蛋白質(zhì)進行了高效色譜分離。

第三步：定身份。這是對色譜柱出口處順序離開的修飾蛋白質(zhì)確定身份，包括確定蛋白質(zhì)種類、翻譯后修飾發(fā)生的位點等。

在這里，需要使用質(zhì)譜儀—— 一種可以對分子稱重的高端科學(xué)儀器。在宏觀世界中，人們可以利用地球萬有引力對物體稱重。但在微觀世界中，分子和原子受到的萬有引力非常微小，無法利用常規(guī)工具稱重。1912年，英國物理學(xué)家在研究陰極射線時發(fā)明了最初的磁質(zhì)譜儀，成為微觀世界原子和分子質(zhì)量測量最重要的工具。

修飾蛋白質(zhì)進入質(zhì)譜儀后，質(zhì)譜儀將首先測量其質(zhì)量，但這還無法確定修飾蛋白質(zhì)的身份。于是，質(zhì)譜儀再將修飾蛋白質(zhì)碰撞為碎片，并對所有碎片稱重。由于蛋白質(zhì)由20余種氨基酸組成，在碎裂時遵守特定規(guī)律，不同修飾蛋白質(zhì)的碎片情況都是特有的。因此，科學(xué)家可以根據(jù)特定碎片質(zhì)譜圖，確定修飾蛋白質(zhì)的序列和修飾位點。

通過以上三步，科學(xué)家可以在一天內(nèi)分析檢測人體中的數(shù)千個修飾蛋白質(zhì)，這在十幾年前是無法想象的。值得一提的是，人體內(nèi)翻譯后修飾蛋白質(zhì)的種類和數(shù)目與人體健康情況密切相關(guān)，相關(guān)分析技術(shù)極有可能在不久后為我們的身體保駕護航。

我國在修飾蛋白質(zhì)分析方面的科學(xué)研究總體處于世界前列，例如，我國分析化學(xué)家首創(chuàng)的磷酸酯鋯親富集材料，是當(dāng)今世界上磷酸化蛋白質(zhì)富集效率最高的材料之一。但是，修飾蛋白質(zhì)分析技術(shù)離真正造福于民還有很長的路要走。

目前，研究相對成熟的蛋白質(zhì)翻譯后修飾還僅僅局限于磷酸化、糖基化、乙酰化等十余種修飾，完全揭秘人體內(nèi)蛋白質(zhì)的“千變?nèi)f化”還需要繼續(xù)不懈努力。