Rohit Pappu和他的兩位同事在9月20日《科學(xué)》（Science）雜志上的一篇perspective文章中，揭示了一大類(lèi)沒(méi)有遵循結構-功能范例的蛋白質(zhì)。這些所謂的內在無(wú)序蛋白質(zhì)無(wú)論整體或部分均不能折疊，但它們是具有功能的。

如果你打開(kāi)任何一本生物學(xué)教材翻到蛋白質(zhì)的部分，你將會(huì )學(xué)到蛋白質(zhì)是由氨基酸序列組成，序列決定了氨基酸鏈如何折疊成一種緊密的結構，且這種折疊蛋白質(zhì)的結構決定了它的功能。換句話(huà)說(shuō)，序列編碼結構，功能源自結構。

近期我們與圣路易斯華盛頓大學(xué)生物系統工程學(xué)中心的主任、生物醫學(xué)工程學(xué)教授Pappu博士一起追蹤了這一的科學(xué)。

Q1.什么時(shí)候人們意識到一些蛋白違背了規則?

已經(jīng)大約有20年。zui早的線(xiàn)索是一些蛋白質(zhì)片段沒(méi)有顯示在X射線(xiàn)晶體學(xué)或NMR研究中，這些是研究蛋白質(zhì)結構的標準方法。

到上世紀90年代，從事蛋白質(zhì)與DNA互作機制研究的人們已經(jīng)注意到當蛋白質(zhì)與DNA相互作用時(shí)它們常常會(huì )改變形狀。在沒(méi)有DNA的情況下，所有用于蛋白質(zhì)結構的標準探針?lè )祷氐膱蟾骘@示蛋白質(zhì)是松散的，而當蛋白質(zhì)與DNA形成復合物時(shí)則具有明確定義的三維結構。

Q2.你zui初是怎樣聽(tīng)說(shuō)它們的?

偶然。當我2001年正準備離開(kāi)約翰霍普金斯大學(xué)轉去華盛頓大學(xué)之時(shí)。我與印第安那大學(xué)醫學(xué)院的Keith Dunker進(jìn)行了一次會(huì )面，他是該領(lǐng)域的*之一。這純屬巧合。這次是會(huì )面以尷尬的方式開(kāi)始因為Keith不知道我是誰(shuí)，我也從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)他。我正在從事未折疊蛋白的聚合體物理學(xué)描述工作，豈料他剛剛寫(xiě)了一篇80頁(yè)的關(guān)于內在無(wú)序蛋白的綜述論文。

他說(shuō)：“每次你與蛋白質(zhì)科學(xué)后巷中的人們談話(huà)，他們都會(huì )告訴你他們的蛋白質(zhì)是非常靈活或高度動(dòng)態(tài)的，這種動(dòng)態(tài)對于功能極其重要。”

因此Keith做了兩件事情。他綜合了所有的信息，然后了解了這些靈活的高度無(wú)序的蛋白。與他的同事Vladimir Uversky一起，他提出了疑問(wèn)是否有可能預測哪些序列是無(wú)法自主折疊的。在計算機科學(xué)家們的幫助下，教給他如何尋找高維空間中的模式，他知道了20種氨基酸中有11種傾向于是無(wú)序的?，F在有大約20個(gè)無(wú)序預測因子。

因此當我聽(tīng)到這個(gè)故事，我想：“好的，這要么是錯亂的，要不是將要變形的。我打賭是變形的，因為我發(fā)現他所說(shuō)的是令人信服的。”

因此在華盛頓大學(xué)的頭兩年我開(kāi)始大量涉獵文獻，我想我嚇壞了這里的許多人，他們不知道他們已經(jīng)聘請了此人，還以為他們正在招聘。

Q3.有多少比例的蛋白質(zhì)是內在無(wú)序的?

它由領(lǐng)域而定。因此在細菌和原核生物中這些數量相當小。它們大約占蛋白質(zhì)組的5%。但是如果你轉到真核生物或多細胞生物體，那么數量可達到整個(gè)蛋白質(zhì)組的30%或40%。

但是如果你問(wèn)多少比例構成信號蛋白質(zhì)組（忙于將信號傳給其他蛋白的蛋白質(zhì)）的序列是內在無(wú)序的，那么其數量則高達60-70%。

似乎存在一種職責分工。結構蛋白參與了催化和運輸。內部無(wú)序蛋白對于信號傳導和調控是非常重要的。

Q4.為什么是無(wú)序蛋白參與了信號傳導與調控?

我認為有兩個(gè)邏輯原因。一個(gè)是因為與內在無(wú)序蛋白相關(guān)的復合物是短期存在的，另一個(gè)是因為它們通常結合多個(gè)而非一個(gè)分子。

如果一個(gè)分子除了在復合物情況下不能折疊，那么用于折疊的部分能量必定是來(lái)自分子間的相互作用。且如果這種分子取得的是能量貸款，那么形成復合物將不會(huì )是很穩定或是長(cháng)期存在的。

你正將高特異性（因為只有當蛋白質(zhì)識別與它形成復合物的分子時(shí)才會(huì )折疊）與低整體親和力（因為復合物不穩定）結合到一起。

這些多對一的相互作用產(chǎn)生是因為無(wú)序蛋白常常通過(guò)短氨基酸鏈而非大的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)界面發(fā)揮功能。因此單一的多肽鏈能夠與多個(gè)靶標相互作用。一個(gè)模體與一個(gè)蛋白質(zhì)對話(huà)，第二個(gè)模體與另一個(gè)蛋白質(zhì)對話(huà)，然而通過(guò)這條鏈它們能夠彼此溝通。

這就是為什么這些分子碰巧處在網(wǎng)絡(luò )中心的原因。它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸信息就像機場(chǎng)中心的空中交通指揮塔臺一樣。由于它們大部分的功能是通過(guò)這些非常小的模體來(lái)實(shí)現，它們能夠協(xié)調在自然界大量不同的信息。你使得所有的事情在同一時(shí)間發(fā)生。

Q5.就你的觀(guān)點(diǎn)，對于我而言值得注意的是你強調了這些蛋白質(zhì)的功能性。這個(gè)名字是不是有點(diǎn)令人誤解?

你說(shuō)得對。隨著(zhù)我們對它們的了解加深，我們認為我們本應該將無(wú)序蛋白稱(chēng)作分子變阻器。對于物理學(xué)家而言，無(wú)序只是意味著(zhù)熱量波動(dòng)是占主導的，因此對于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)這是一個(gè)準確的描述。問(wèn)題在于在生物醫學(xué)領(lǐng)域無(wú)序這個(gè)單詞已被為疾病。

你提到這些蛋白使出高招的一些伎倆。其中我認為很聰明的一個(gè)是調節了局部的化學(xué)環(huán)境來(lái)促進(jìn)特殊反應。

這是一個(gè)非常重要的概念。如果你正在試管中做化學(xué)試驗，你想使一種反應進(jìn)行，你要提高反應物的濃度：A需要碰撞B，而且經(jīng)常這樣做。但這是個(gè)概率問(wèn)題，因此你有可能需要大量的A分子和許多的B才能獲得一些統計學(xué)數字。

但如果A與B之間存在一條系繩，確保彼此經(jīng)常相互碰撞。你或許用少數并非大量的分子就可以了。

這一寬松的系繩，實(shí)際上，提高了A環(huán)繞B的濃度，且這一系繩往往是一個(gè)無(wú)序區域。

另一件你提到的事情是隱藏的無(wú)序：這一觀(guān)點(diǎn)是指結構化蛋白能夠變成無(wú)序。這是一個(gè)反向倒轉。

隱藏無(wú)序的概念是：這些結構域，通過(guò)促進(jìn)彼此的無(wú)序，顯示出了隱藏的模體或位點(diǎn)，現在可為功能所用。

你提到了在生物醫學(xué)界無(wú)序與疾病相關(guān)。你的共同作者劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗室的M. Madan Babu已經(jīng)撰寫(xiě)了關(guān)于這一連接。

是的。細胞做出許多的決定。它們決定分化、死亡、再生或歸于靜息。這些決定受到調控網(wǎng)絡(luò )的控制。這一網(wǎng)絡(luò )中的整合者大部分是無(wú)序區域。

因此問(wèn)題在于：這些區域中的突變將會(huì )導致不必要的細胞表型以及諸如心血管病、癌癥和神經(jīng)退行性病變等疾病嗎?答案是肯定的。

但是我們正了解到的是無(wú)序區域的突變不一定會(huì )產(chǎn)生有害的表型因為相比結構化區域無(wú)序區域是相當不受限制的。因此這些區域也是穩固性的操控者。

Q6.它們更穩固而不會(huì )突變?

至少有一個(gè)檢測癌癥突變的研究表明如此。它表明癌癥相關(guān)的突變朝著(zhù)蛋白質(zhì)的結構化區域細分，但沒(méi)有向著(zhù)無(wú)序區域。

Q7.你認為對于無(wú)序蛋白的新認識會(huì )導致醫學(xué)突破嗎?

也許。如果我告訴你無(wú)序蛋白處于網(wǎng)絡(luò )的中心，那么順理成章地用藥物靶向這一中樞就給予了你一條現成的途徑來(lái)控制細胞的決定。

*的問(wèn)題是我們還不是很清楚靶向一個(gè)樞紐意味著(zhù)什么。如果一種蛋白具有非常的形狀我們知道如何靶向它：這就像為一把鎖設計一片鑰匙。但如果蛋白質(zhì)是無(wú)序的我們就必須知道這對于這一特殊樞紐意味著(zhù)什么。我們還必須認識到任何改變這一樞紐的事物將改變一系列的下游過(guò)程、信號通路和細胞決定。

但是有許多人現在正在談?wù)撨@些無(wú)序蛋白作為可用藥物控制的靶點(diǎn)。

連同該領(lǐng)域的另一位創(chuàng )始人Peter Tompa，你在今年夏天組織了一個(gè)關(guān)于無(wú)序蛋白的高登研究會(huì )議（Gordon Research Conference）。這是一個(gè)機會(huì )帶領(lǐng)該領(lǐng)域的科學(xué)家們探索他們不能發(fā)表的想法。共識是什么?

很明顯你知道的越多，越難獲得有序/無(wú)序的區分。存在有一個(gè)連續區。事實(shí)上，許多無(wú)序區域zui終獲得了結構，它們只是延遲采納適當背景的結構。

我們書(shū)寫(xiě)Science perspective是因為我們認為這是一個(gè)適當的時(shí)間證實(shí)這一點(diǎn)即有可能結構化區域和無(wú)序區域之間存在進(jìn)化協(xié)同作用，如果我們真的打算了解生物學(xué)如何整合信號控制過(guò)程并生成反應，這種協(xié)同作用是我們真正需要圍繞的圍繞的。

這篇perspective文章的共同作者、圣猶他兒童研究醫院的Richard Kriwacki在這方面取得了zui明確的發(fā)現。他證實(shí)兩個(gè)結構化的區域可以組合到一起——這是整個(gè)p53腫瘤抑制裝置的一部分——它們試圖混合，它們經(jīng)歷了一個(gè)解折疊轉變，暴露出了被掩藏的位點(diǎn)。