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所有生物学家都知道,不起眼的结构有时可以带来巨大的影响。比如,在我们的细胞和组织中东奔西跑的数以百万计的信号分子、激素和其他生物分子,在许多关键过程中都发挥着主导作用。
尽管生物学家和医学家将这些知识熟记于心,但长期以来,他们却忽视了一类特殊的蛋白质。因为这些蛋白质非常小,而且只在灵长类动物中被发现了,所以科学家认为这些蛋白质是无足轻重,不具备任何功能的。
近日,在发表在《分子细胞》上的一篇新论文中,一组国际研究团队描述了他们如何系统地研究这些微蛋白,以及从中了解到的情况,比如这些蛋白质在哪些基因组序列中被编码,在它们进化过程中何时发生DNA突变。他们怀疑,与长期以来的假设相反,这些微蛋白在各种细胞功能中发挥着关键作用。
迄今为止最小的蛋白质
生物信息学基因分析显示,大多数人类微蛋白在进化过程中的发展,比目前科学家所知道的大型蛋白质晚了数百万年。由于相对快速的“创新和适应”,这些年轻的蛋白质也可能在很大程度上参与了进化的发展,进化过程本身也有可能比以前认为的更加动态。
与我们基因组中编码的已知古老蛋白质不同,大多数微蛋白在某种程度上可以说是“凭空出现”的。换句话说,它们是从先前不负责生产蛋白质的DNA区域中出现的。
微蛋白没有采取更简单的“常规”路径从现有版本中复制和衍生。而且,这些小型蛋白质仅仅在人类进化过程中出现,在其他大多数动物的细胞中都没有。但在小鼠、鱼类和鸟类这些动物身上,科学家已经发现了属于它们自己的年轻的小型蛋白质集合。
线粒体(绿色)和细胞核(蓝色)中的微蛋白在人类细胞中被过度表达。黄色和粉色的区域显示,微蛋白的信号与线粒体和核的信号重叠。
(图/Clara-Louisa Sandmann, Max Delbrück Center)
然而,这种巨大的年龄差距似乎并不妨碍这些蛋白质之间的“对话”。研究人员使用马克斯·德尔布吕克中心在2017年开发的生物技术筛选方法,惊讶地发现,年轻得多的微蛋白实际上可以与古老得多的蛋白质相互作用。
团队在一张膜上合成了微蛋白,然后用含有人类细胞中已知的大多数蛋白质的溶液进行“孵化”。复杂的实验和计算机辅助分析,让研究人员能够确定单个结合对。
如果一种微蛋白与另一种蛋白结合,并不一定意味着它会影响另一种蛋白的工作,或是影响这种蛋白质所参与的某些过程。但结合的能力确实表明,这些蛋白质可能会影响彼此的功能。实验证实了这一假设,这让研究人员有理由认为,微蛋白可能会影响比它们早几百万年的细胞过程,因为一些古老的蛋白质在最早期的生命形式中就存在。
与此同时,研究人员还留意到了迄今为止发现的最小的人类蛋白质。他们确认了200多种超小型蛋白质,每种都不到16个氨基酸,或者可以理解成不足16个“单位”。作为对比,通常情况下,蛋白质都由几百个氨基酸构成。
这就提出了一个问题——一种蛋白质最小能多小?又或者说,蛋白质必须有多大才能发挥作用?
一些已知的小型蛋白质被称为肽,具有作为激素或者信号分子的功能。它们是从较大的前体蛋白质中分离而来的。而现在的研究表明,相似大小的肽也能以截然不同的方式发展而来。
这些最小的蛋白质同样可以非常明确地专门与更大的蛋白质结合。但目前我们仍不清楚它们能否成为激素或者类似的东西。
微蛋白的作用
科学家表示,显而易见的是,微蛋白太重要了,人们不能一直忽视它们。
研究人员也还不知道这些微蛋白在我们的身体中的主要作用。但这项研究确实提供了一种关于这些分子能力的暗示。一种可以想见的情况是,这些微蛋白可能参与了心血管疾病和癌症过程,因此可以作为诊断和治疗的新目标。
他们的研究已经调查了281种微蛋白,但未来的目标是扩大实验范围,包括最近编录的7000种微蛋白中的更多种类,揭示许多尚未发现的功能。
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