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微蛋白的新世界正顛覆著細胞生物學與遺傳學
   
[2019-10-22 ]

原文取自Science Magazine 原文於此

BioGroup 編譯

 

    一群在研究肌肉的科學家發現,縱使一般老鼠的體能就已經讓許多人感到吃驚,但卻有一群更訝異的「鐵鼠」存在,牠們可以在10%的坡度下奔跑90分鐘,這比一般的老鼠長了31%的時間,而「鐵鼠」與一般老鼠之間的差異,竟只是「鐵鼠」體內缺少了某種蛋白質,主導此研究的Eric Olson (美國德州大學達拉斯西南醫學中心) 表示:「這就像是移除了肌肉的剎車系統。」

    肌肉中包含了許多巨型的蛋白質,Dystrophin為結構性的蛋白質,由3600個胺基酸組成;Titin給予肌肉彈性,由34000個胺基酸組成,也是已知最大的蛋白質,但促使鐵鼠成型的那個蛋白質卻僅由46個胺基酸組成,這個微型的蛋白質叫做myoregulin,在超過百年的肌肉研究史中,它是那個被忽略的元素。

    Olson和他的同事們也都曾對這微小的蛋白質視而不見,但現在科學家體認到,他們當初設下的檢測與分析標準把這些有如針頭般細小的蛋白質屏除在外,而隨更好的技術與更寬闊的分析標準的使用,成千上萬個微型蛋白質終於呈現在人類的面前,對科學家來說,這些微型蛋白質是個全新未知的宇宙。

    生物學家著手開始研究起這些微蛋白,他們微小的體型可以讓他們與大型的蛋白質進行錯綜複雜的互動,可能可以抑制某些機制同時又釋放另一種機制,目前已知可以加強免疫系統,控制RNA的破壞,保護細菌面對高溫與低溫的逆境與組成各種毒液中的有毒物質,除上述之外,微蛋白大概參與在所有的生物反應之中,只是科學家先前都忽略掉這一塊新大陸。

    微蛋白也很有可能會改變現階段對於基因體的了解,許多的微蛋白被編碼在遺傳物質的延伸區域上,那些以往被認為不會製作出蛋白質的區域。科學家指出,這些在延伸區域上的短序列可能是新生的基因,正走在演化成一般長度基因、並製作出一般大小的蛋白質的路上,這也讓我們必須要重新思考基因的定義為何。

    儘管還有許多謎團上為解開,科學家已經針對這些微蛋白做了許多測試與研究,一家公司已經運用澳洲漏斗網蜘蛛的微蛋白開發出殺蟲劑,另一家公司則利用蠍毒的微蛋白作為腫瘤區域的顯示劑,以利外科醫師將腫瘤完整地移除,微蛋白已然成為發展最快速的項目之一。

    有人可能會問,同樣都是由胺基酸組成,胜肽或是多肽與微蛋白的差異到底何在,多肽比較像是是從大型蛋白上削減下來的殘留物,而Myoregulin和他其他微小的兄弟們卻是一出生就是這個大小,這造就了這兩種物質本質上的差異。這樣的蛋白質到底可以多小?科學家至今還沒有一個定論,果蠅靠著一個僅有11個胺基酸組成的微蛋白來保持腿部正常的生長,某些微生物甚至可以產生出小於10個胺基酸的微蛋白,就連目前已知最大的微蛋白,其大小也無法和中等大小的蛋白質相比。

    一些微蛋白直到現今才浮上檯面是因為過往定義基因組的標準(約20年前),當時的科學家在分析生物的遺傳物質時,他們總是掃描著ORF,一個在DNA序列中被做下標定,會告知產生蛋白質的核醣體這裡是蛋白質的產生處、從哪裡開始與在哪裡結束,且為了避免海量的數據產出,以至於數據難以分析實驗受到干擾,過去的研究學者會把小於100(真核)/50(原核)個胺基酸的蛋白質排除在外,以酵母菌為例,這樣的排除將ORF的數量降低到6000。

    科學家把目標放在人體身上的微生物群上,他們訂定了目標且放寬標準,要在這些微生物中搜尋可能產出五到五十個胺基酸組成的蛋白質的ORFs,結果科學家辨認出大概4000個群組的可能的微蛋白,且近半數沒有相似的已知蛋白質,而其中的小型ORF的序列竟在核醣體中有相對應的位置,這代表這些蛋白質可能扮演著一些相當重要的角色。

    而其他的細胞同樣也蘊含著大量的小ORF,酵母菌甚至有著超過260,000個由2-99個胺基酸組成的微蛋白分子,但細胞卻幾乎不會去使用這些ORFs,且許多它們所製造出的產品是毫無用途的。在2011年超過600,000條果蠅的短ORFs被找到後,英國薩塞克斯大學的Juan Pablo Couso與其團隊試著減少這些ORFs的數量,他們表示,如果一個特定的ORF在相近的物種間存在有相同或相似的序列,代表著這個ORF比較不可能是無功能的序列,而在一連串的整理與篩選後,研究團隊最終統整出401個比較有可能產出微蛋白的短ORFs,但這在昆蟲的蛋白質庫中還是佔有很大的份量,現有的昆蟲資料庫中大略有22,000種全長的蛋白質。

    Weissman (美國加州大學舊金山分校) 和他的同僚發展出另一種找尋微蛋白的方法,透過一種2011年發表的技術Ribo-seq,可以有效的分析哪些蛋白質是細胞正在製作的,在這些數據中,有著一大群意外的數據,低於100個胺基酸的微蛋白被大量地產出。

    Alan Saghatelian (美國加州索爾克研究所) 和他的同僚發現了第三個找尋微蛋白的方法,他們把人體細胞的蛋白全部取出,打斷成不同長短的小片段,再利用質譜儀進行數據的分析,理論上每個小片段蛋白質都會對應到某條已知的完整蛋白質上,但在他們的數據之中,卻有86個前所未見的細小蛋白質光譜,最短的甚至只有18個胺基酸。

    因為體型小,這些微蛋白的功能也會受到限制,他們不能像是完整長度的蛋白質,可以摺疊出不同的構造與形狀,所以就不太可能成為酵素,或是做為結構物質使用。但同時,他們微小的尺寸卻也開啟了另一個契機,它們短小的可以輕易的和其他大型蛋白質互動,鍵結或改變這些大分子的構型,同時也可以成為大分子的引路者。

    因為微蛋白吸引蛋白質的特性,他也可以做為細胞內一個可逆的調節手段。例如一篇在2016年發表的文獻,Stephan Wenkel (丹麥哥本哈根大學) 和他的團隊將兩種微蛋白在模式植物阿拉伯芥上過量表現,這導致植株花期延後,原因是這兩個微蛋白將一個叫做CONSTANS的巨大蛋白質綁在它的抑制蛋白質旁。

    在2016年,Slavoff, Saghatelian和他們的團隊,在人體細胞中發現一個有68個胺基酸的微蛋白 - NoBody,它可以協助管理細胞銷毀錯誤或不需要的mRNA。在細胞質中有一個蛋白質集團叫做P-bodies,P-bodies的功用在於拆解、儲存RNA或協助轉譯成蛋白質,而NoBody的功用在於阻止P-bodies的生成,以達到調控細胞的功能。

    而同時,肌肉也必須依靠著微蛋白來形成。一個有著84個胺基酸的微蛋白,會聚集成大型的蛋白質,並在胚胎發育期,協助牽引這些肌肉細胞,最終形成肌肉,若沒有這個蛋白,胚胎鼠將無法形成肌肉,而呈現近乎透明的狀態。

    而在長大之後,myoregulin便開始參與肌肉的活動,當肌肉到訊息,細胞便會釋出鈣質,觸發肌肉纖維收縮而產生力,而後一個叫做SERCA的離子泵會將鈣離子收回,讓肌纖維可以舒展,而myoregulin便是和SERCA結合,且抑制其功能,這樣的效果可以降低肌肉收縮的頻率,或許對於儲存能量有某種程度上的助益,同時還有另一個微蛋白DWORF和myoregulin有著相反的功能,解放SERCA 讓肌肉可以正常收縮。

    就連已被解讀的相當透徹的E. Coli也能被找出有著重要功能的微蛋白,例如2012年由Gisela Storz  (美國馬里蘭州國家兒童健康與人類發展研究所) 和她的團隊發現的有著49個胺基酸的AcrZ,可以促使泵浦將細胞內的抗生素排出來達到抗藥的效果。 

    同時由生物產生出的毒液也都含有許多的微蛋白,這些微蛋白可以阻斷對神經傳導相當重要的離子通道,且具有驚人的專一性與效能,來達到使目標麻痺或死亡的功用,如同澳洲的一種魚類捕捉昆蟲,不僅靠著鋒利的爪與口器,還有超過130種毒性蛋白質,其中15種的大小小於100個胺基酸。

    不同於笨重的大型蛋白質,如同抗體,微蛋白可以做為藥物深入細胞,改變細胞的功能。Captopril為此類降血壓藥物的領頭羊,是一種源於巴西腹蛇毒液的微蛋白,並可以抑制血管收縮轉化酶的活性,這種藥物早在1981年就在美國上市,在科學家正式認定微蛋白為一群獨特的群組前,但這個發現純粹是靠著機運,而非大量的篩選,這也導致目前在市面上的可以見到的微蛋白藥物相當稀少。

    癌症的研究者也找到了以色列金蠍(Leiurus quinquestriatus)毒液中的微蛋白,腫瘤細胞對於這個微蛋白有著神奇的吸引力,科學家將其與螢光染劑結合,希望可以在腦部腫瘤手術時確實的顯現出腫瘤的區塊,來避免可能危害與手術副作用。

    這些微蛋白對於醫學上的重要性還是個未知數,但他們已經顛覆了一些生物學上的假說,Norbert Hübner (德國馬克斯·德爾布呂克分子醫學中心) 在人類心臟細胞上發現幾十個新的微蛋白,團隊試著去追尋它們的源頭,卻發現是位於long noncoding RNAs中的短片段,一個不應該產出蛋白質的地方,而後在確認了這169段可能被核醣體轉譯過的long noncoding RNAs後,Hübner的團隊確認了有半數long noncoding RNAs都能製造出微蛋白。

    這些能做出微蛋白的DNA片段也同時能出現在一些非典型的區域,例如有些出現在靠近能做出大型蛋白質之ORFs的附近,研究學者先前認為這些序列只是為了要幫助生產這些大型的蛋白質而存在,所以很少去注意到這些微蛋白,但近期的研究指出,這些在前端的微蛋白的重要性和大型的蛋白質是相等的。

    這些基因學上的新訊息可以闡明了新的基因的出現,過去的研究學者都認為新的基因是因為舊有基因複製、短缺或是和其他生物體交換,但微蛋白的出現顯示了原基因可以源於突變所導致的新的起始或停止訊號,如果這個ORFs產生出了有益處的蛋白質,但這個新的序列就會留在基因中,並開始進行自然的篩選,最終成為大型的基因,轉譯出更複雜的蛋白質。

    在2012年,Carvunis發現了酵母菌轉譯了超過1000個短ORFs成蛋白質,暗示著這些序列很有可能就是原基因,在新的研究中,Carvunis和她的團隊測試了這些新的ORFs是否可以對細胞是個優勢,她們啟動了285近期演化出的ORFs,大部分的產物都比正常的蛋白質篩選標準小,其中有大約10%的蛋白質可以在最少一種環境下加速細胞的生長,而這些序列很有可能正在往全長度的基因的路途上邁進。

    人們幾乎沒想過在,還有這麼一大群蛋白質,一直以來都在這的黑暗角落等著我們去發掘,但現在微蛋白的研究蒸蒸日上,每天都有新的發現新的進展,但這卻可能還只是冰山一角。

 

 

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