我們靠膠原蛋白維系在一起。這種纖維狀大分子的結(jié)構(gòu)就像一根扭曲的繩子，占人體內(nèi)蛋白質(zhì)的15%到20%，在機(jī)械支撐我們的細(xì)胞和組織方面起著至關(guān)重要的作用。但令人驚訝的是，膠原蛋白在體溫下是不穩(wěn)定的。

在近日于美國加州舉行的美國物理學(xué)會(huì)全球峰會(huì)上，研究人員終于揭示了膠原蛋白是如何保持其形態(tài)的——由含硫氨基酸形成的分子“釘”簇。

膠原蛋白的三股螺旋結(jié)構(gòu)。圖片來源：LAGUNA DESIGN/SCIENCE SOURCE

沒有參與該研究的美國加州大學(xué)默塞德分校生物物理學(xué)家Jing Xu表示，確定膠原蛋白能夠聚集在一起的關(guān)鍵原因，標(biāo)志著“朝理解這種蛋白質(zhì)的生物學(xué)之謎邁出了重要一步”。這一發(fā)現(xiàn)可能為生物工程和再生醫(yī)學(xué)提供新工具。

膠原蛋白是一種絲狀蛋白質(zhì)，由3條相互纏繞的氨基酸鏈組成，扭在一起形成三股螺旋結(jié)構(gòu)。由這些螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成的纖維隨后聚合成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而形成堅(jiān)固的支架，將細(xì)胞固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，同時(shí)又保持足夠的可塑性，以應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。事實(shí)上，這種可塑性有助于膠原蛋白鏈傳遞調(diào)節(jié)細(xì)胞行為的信息，讓纖維網(wǎng)絡(luò)可以將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號(hào)。

令人困惑的是，大多數(shù)蛋白質(zhì)在遠(yuǎn)高于體溫的情況下都能很好地保持折疊形態(tài)，而折疊并扭曲成三股螺旋結(jié)構(gòu)的膠原蛋白卻不能。

2002年，研究人員發(fā)現(xiàn)，在人體內(nèi)，膠原蛋白的展開或“融化”溫度略低于37攝氏度，也就是平均體溫。奇怪的是，大量其他不同體溫的生物也是如此——膠原蛋白的“熔點(diǎn)”會(huì)隨動(dòng)物體溫的變化而變化，魚類膠原蛋白“融化”溫度比人類膠原蛋白低得多。

會(huì)上，加拿大西蒙·弗雷澤大學(xué)的生物物理學(xué)家Nancy Forde展示了所做的膠原蛋白分析。“細(xì)胞在體溫下會(huì)產(chǎn)生折疊的膠原蛋白，所以問題就變成了它在體內(nèi)能持續(xù)多久?！彼f。

如果組織工程師能夠模仿生物體由本質(zhì)上不穩(wěn)定的構(gòu)建塊形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的能力，就會(huì)擁有更堅(jiān)固的材料，用于制造培養(yǎng)組織和器官或其他目的的人工支架。了解膠原蛋白的穩(wěn)定性，也能幫助醫(yī)生更好地理解依賴這種蛋白質(zhì)的結(jié)締組織疾病，如成骨不全癥和埃勒斯-當(dāng)洛斯綜合征。

加拿大麥吉爾大學(xué)的生物工程師Allen Ehrlicher說：“盡管膠原蛋白是一種關(guān)鍵的細(xì)胞外蛋白質(zhì)，但其熱不穩(wěn)定性和機(jī)械特性的潛在細(xì)節(jié)仍不清楚?！?/p>

過去的研究已探索過哪些氨基酸構(gòu)成了膠原蛋白纖維長而復(fù)雜的序列，但未能揭示三股螺旋是如何折疊和展開的，因?yàn)楹茈y在如此龐大的結(jié)構(gòu)中觀察到微觀過程。此外，研究人員無法通過反復(fù)解開和重新扭曲膠原蛋白獲取更多信息，因?yàn)橹匦屡で枰獢?shù)小時(shí)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中這是一段極其漫長的時(shí)間。

為了弄清楚膠原蛋白是如何形成螺旋結(jié)構(gòu)的，F(xiàn)orde和當(dāng)時(shí)的博士生Alaa Al-Shaer采用一種名為原子力顯微鏡的方法，對(duì)數(shù)百個(gè)膠原蛋白三股螺旋結(jié)構(gòu)在不同溫度下解體時(shí)進(jìn)行原子級(jí)成像。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在37攝氏度的環(huán)境下，膠原蛋白在一小時(shí)內(nèi)逐漸失去結(jié)構(gòu)，在坍塌成無規(guī)則的團(tuán)塊時(shí)長度縮短。隨后的圖像也讓研究人員能夠準(zhǔn)確追蹤當(dāng)分子冷卻時(shí)，膠原蛋白哪些部分幫助較大的鏈逐漸變長并重新扭在一起。

事實(shí)證明，奧秘在于膠原蛋白結(jié)構(gòu)中幾個(gè)富含硫的片段。當(dāng)研究人員仔細(xì)觀察IV型膠原蛋白時(shí)，發(fā)現(xiàn)二硫鍵簇起到了結(jié)構(gòu)“釘”作用，將成對(duì)的膠原蛋白鏈維系在一起，并延長了扭曲結(jié)構(gòu)的壽命。這些鍵被稱為“半胱氨酸結(jié)”，因?yàn)樗鼈兩婕巴暮虬被?，啟?dòng)了膠原蛋白重新折疊成三股螺旋結(jié)構(gòu)的過程。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，一種經(jīng)過化學(xué)改造、缺失半胱氨酸結(jié)的膠原蛋白會(huì)更快地解開螺旋結(jié)構(gòu)，并且根本無法重新折疊。

Al-Shaer還發(fā)現(xiàn)，半胱氨酸結(jié)在多細(xì)胞生物的各類膠原蛋白中廣泛存在，如在水母、蠕蟲、海星和哺乳動(dòng)物的膠原蛋白基因中，都能找到所需氨基酸序列的指令。Forde說，半胱氨酸結(jié)在進(jìn)化上的保守性以及明顯的古老起源，暗示了它“在幫助將鏈固定在一起并賦予蛋白質(zhì)熱彈性方面”的重要性。

來源：中國科學(xué)報(bào)