楊春蕾

【摘 要】 生物科學(xué)家一直想揭開遺傳物質(zhì)的奧秘，而對基因的探索離不開對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的詳細(xì)解讀，蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔(dān)者，而其在合成、分選和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中，信號肽起著十分重要的作用。本文就信號肽的結(jié)構(gòu)和功能，蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)類型與途徑等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述了信號肽對蛋白質(zhì)的定位重要作用，探究信號肽的研究在生物蛋白質(zhì)、醫(yī)療、制藥等方面的應(yīng)用情況，以及對信號肽研究的未來展望。

【關(guān)鍵詞】 信號肽 蛋白質(zhì) 分選轉(zhuǎn)運(yùn) 實(shí)際應(yīng)用

1 信號肽與蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)

1.1 信號肽的結(jié)構(gòu)與功能

信號肽引導(dǎo)并定位蛋白質(zhì)新生肽鏈，類似于一段具有特定的“條形碼”，位于蛋白質(zhì)的N端氨基酸序列，一般由20左右個(gè)氨基酸殘基組成，包括疏水核心區(qū)、信號肽的C端和N端三部分。信號肽可以引導(dǎo)翻譯的核糖體及多肽鏈附著到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的信號蛋白酶剪切清除后，肽鏈繼續(xù)延伸。

1.2 蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)

蛋白質(zhì)根據(jù)自身特定的信號序列，從一開始的合成部位，經(jīng)過組裝，到形成成結(jié)構(gòu)與功能的復(fù)合體，各就各位地參與各項(xiàng)生命活動，這一過程稱為蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運(yùn)或蛋白質(zhì)分選。

1.3 蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)類型與途徑

蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)分為門控運(yùn)輸、跨膜運(yùn)輸和膜泡運(yùn)輸?shù)?，但都涉及到信號肽的介?dǎo)和靶細(xì)胞器上受體蛋白的識別。按照蛋白質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運(yùn)同步與否，其分選途徑可分為兩大類：共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，即蛋白質(zhì)在游離核糖體上開始合成，后由信號肽引導(dǎo)轉(zhuǎn)移到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，新生肽邊合成邊轉(zhuǎn)入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔或定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，運(yùn)至再經(jīng)高爾基體加工包裝轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體、細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞外；后翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，即在游離核糖體上合成多肽鏈后，再轉(zhuǎn)運(yùn)至膜圍繞的細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體、細(xì)胞核等，或稱為可溶性蛋白。

2 信號肽在蛋白質(zhì)分選轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用

2.1 信號肽對分泌蛋白的作用

分泌蛋白在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的合成由蛋白質(zhì)N端的信號肽、信號識別顆粒、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上信號識別顆粒的受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體等因子共同協(xié)助完成。

以共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制為例，分泌蛋白在合成過程中，首先在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)游離核糖體上合成N末端的信號肽，后其暴露出核糖體并與信號識別顆粒結(jié)合，導(dǎo)致肽鏈延伸暫時(shí)停止，防止新生肽N端損傷和成熟前折疊，直至信號識別顆粒與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識別結(jié)合。新生肽與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的移位子結(jié)合，信號識別顆粒脫離信號序列和核糖體，返回細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中重復(fù)使用，肽鏈又開始延伸。信號肽穿入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜并引導(dǎo)肽鏈 經(jīng)由膜蛋白質(zhì)構(gòu)成的孔道到達(dá)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，而位于腔表面的信號肽則被信號肽酶水解，肽鏈合成后，核糖體從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上解離。在整個(gè)過程中，信號肽起到了很關(guān)鍵的指導(dǎo)作用。

2.2 信號肽對穿膜蛋白的作用

以單次跨膜為例，這類肽鏈除N-端有一段起始轉(zhuǎn)移信號肽序列外，在肽鏈內(nèi)部還有一段停止轉(zhuǎn)移序列。在信號肽引導(dǎo)肽鏈的轉(zhuǎn)移過程中，當(dāng)停止轉(zhuǎn)移序列進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)體并與之相互作用時(shí)，肽鏈轉(zhuǎn)移終止。N-端信號肽釋放，停止轉(zhuǎn)移序列形成跨膜結(jié)構(gòu)，使得肽鏈的C-端滯留于胞質(zhì)一側(cè)。

此外，還有些蛋白質(zhì)的信號肽位于肽鏈中部，被稱為內(nèi)信號肽。隨著肽鏈延伸，當(dāng)內(nèi)信號肽序列到達(dá)轉(zhuǎn)運(yùn)體時(shí)，也會被保留在類脂雙分子層中，形成跨膜結(jié)構(gòu)。可見，穿膜蛋白的形成也是離不開信號肽的。

3 信號肽研究的應(yīng)用實(shí)例

3.1 蛋白亞細(xì)胞定位的研究

在生物領(lǐng)域的《Nature Methods》一書中，整理出的2016年最值得關(guān)注的幾項(xiàng)技術(shù)中，有蛋白定位亞細(xì)胞圖譜，即標(biāo)記細(xì)胞某些區(qū)域中的蛋白質(zhì)，確定該區(qū)域中所有蛋白質(zhì)。目前，有很多人都對蛋白亞細(xì)胞定位的研究做著嘗試和突破，如Life Technologies生物技術(shù)公司就利用了信號肽的功能。其將熒光標(biāo)記蛋白的基因插入某一特定基因內(nèi)，同時(shí)，用PCR的方法把信號肽序列擴(kuò)增，融合到目的基因的N端，通過信號肽的參與，能將表達(dá)的熒光蛋白引導(dǎo)定位到亞細(xì)胞器中，如核、質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和過氧化物酶體等等，此時(shí)這些結(jié)構(gòu)融合了熒光蛋白后會發(fā)出熒光，用顯微鏡、熒光針、熒光激活細(xì)胞分選儀等都可以看見。這種將信號肽與表達(dá)載體結(jié)合的方式，可準(zhǔn)確且特異地定位到亞細(xì)胞區(qū)室和結(jié)構(gòu)，使得對細(xì)胞內(nèi)部的研究又更深一步。

3.2 在外源基因表達(dá)中的重要作用

枯草芽孢桿菌能夠分泌胞外蛋白，為此人們可以通過枯草芽孢桿菌來研究蛋白質(zhì)表達(dá)和分泌，進(jìn)而可以了解外源基因表達(dá)和分泌的過程?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌的信號肽的疏水區(qū)部分影響蛋白質(zhì)的分泌，疏水區(qū)過長或過短對蛋白質(zhì)的分泌有不利。通過對信號肽研究得出，在研究外源基因表達(dá)時(shí)，信號肽在很大程度上影響外源基因表達(dá)。不同種信號肽對同一種蛋白的引導(dǎo)效率是不同的，同樣，在不同的表達(dá)系統(tǒng)中信號肽的分泌效率也不相同，可以明顯地影響表達(dá)分泌水平。所以，選擇信號序列時(shí)要選用有高促進(jìn)作用效果的，同時(shí)也可能需要對已有的信號肽調(diào)節(jié)和改造，以達(dá)到最佳效果，使該蛋白可以高效地在系統(tǒng)中表達(dá)，同時(shí)不斷組合和優(yōu)化，使更多種的蛋白可以表達(dá)。例如在應(yīng)用到實(shí)際的蛋白藥物生產(chǎn)過程中，要根據(jù)不同的目的基因和載體，選擇不同的信號肽，以生產(chǎn)出高產(chǎn)高質(zhì)的藥物蛋白。

4 對信號肽研究的未來展望

信號肽研究不僅具有深刻的理論依據(jù)，還具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在生物制藥、蛋白質(zhì)生產(chǎn)、細(xì)胞工程等行業(yè)。在進(jìn)一步闡釋信號肽運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上，可以利用已知或潛在的信號肽進(jìn)行定向的生物蛋白改造，使目的蛋白定位到指定的部位并發(fā)揮相應(yīng)功能。另外，隨著對信號肽本質(zhì)的充分認(rèn)識，將有可能尋找到更多的外源蛋白分泌途徑的信號序列，這將為人類解釋疾病發(fā)病過程、定向特異靶點(diǎn)的信號研究開辟一個(gè)嶄新的天地，成為基因治療疾病研究中的一個(gè)強(qiáng)有力的入手點(diǎn)。

總結(jié)

人們在探究生物活動規(guī)律和生命現(xiàn)象的科學(xué)道路上不斷前行，對分子生物探索已經(jīng)進(jìn)入了到后基因組時(shí)代，生物科學(xué)家一直想揭開遺傳物質(zhì)的奧秘，而基因的研究離不開對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的詳細(xì)解讀。從信號假說的提出，到對最初“信號假說”概念的打破即發(fā)現(xiàn)了C端的信號肽，人們逐漸發(fā)現(xiàn)信號肽對蛋白質(zhì)的定位重要作用，及信號肽對生物蛋白質(zhì)、醫(yī)療、制藥等方面的諸多應(yīng)用。生物科技間正相互推動發(fā)展著，若想在生物科學(xué)的道路上越早走越遠(yuǎn)，要敢于大膽猜測，并不斷探索，潛心研究，并將得到研究成果合理應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活，成為能為科學(xué)和人類社會做出貢獻(xiàn)的科學(xué)工作者。

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