阮靖淞

摘 要：天然无序蛋白质是一种新发现的蛋白质。生理条件下的天然无序蛋白质三维结构并不稳定，但其却有着重要的功能。无序蛋白质比起有序蛋白质有更加特别的氨基酸组成和结构特点，从而表现出有序蛋白质在分子识别过程中没有的性质。无序蛋白质的发现挑战了传统蛋白质的“序列-结构-功能”范式。通过进一步研究无序蛋白质，人们可以更深入地探索蛋白质结构与功能之间的关系，同时也为药物的研发展示了新的道路。本文根据目前的研究进展，对无序蛋白的发现与功能到结构和性质的研究进展做了综合阐述，最后分析了无序蛋白的优势以及与癌症的关系。

关键词：天然无序蛋白质；蛋白质相互作用；分子识别

中图分类号：Q51 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0226-03

蛋白质作为一种在生命过程中起着至关重要的作用的生物大分子，一直是生命科学研究的重要对象。众所周知，蛋白质的三维结构决定了其生物功能，只有折叠完全，蛋白质才能发挥生物功能。一直以来，蛋白质的研究普遍遵循“序列-结构-功能”的原则，认为蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的三维结构、进而决定了蛋白质的生物学功能，因此蛋白质的自然状态等同于有序立体结构。“序列-结构-功能”范式是蛋白质科学发展的核心图1所示[1]：然而，有一类蛋白质或蛋白质的结构域，在体外的生理条件下很少或几乎没有二级结构，却仍具有生物学功能。如与细胞周期调控有关的p21和p27、与基因转录有关的CBP和p300以及肿瘤抑制因子p53等。不仅如此，无序蛋白质参与了多种多样的信号通路识别和生物网络调控，它们在真核生物，特别是多细胞真核生物中起着非常关键的作用。随着研究的进展，人们已经发现了很多这种结构上无序，但仍然具有生物学功能的蛋白质。它们逐渐形成了一类与传统蛋白质范式不符的新的蛋白质类型——天然无序蛋白质。对无序蛋白的研究开始成为热点，关于天然无序蛋白质的研究文章正呈指数增长[2]。

1 天然无序蛋白质的发现

上世纪九十年代，随着X射线晶体学（XRD）和蛋白质核磁共振（NMR）等蛋白质检测技术的发展，人们发现部分蛋白质没有确定的三维结构，但实验证明这些蛋白质具有生物学功能。天然无序蛋白不仅在自然界广泛存在，而且广泛参与DNA转录、信号传递、细胞分裂、蛋白质聚集以及蛋白质相互作用等重要的生理过程。目前，实验已确认的无序蛋白质收录在数据库DisProt中[3]。在新的版本中（5.9版，发布于2012年2月23日），DisProt一共收录了653个无序蛋白质的详尽信息，涉及到1421个蛋白质结构域。理论上预测的无序蛋白质的数量则更为巨大，例如，真核生物拥有的无序蛋白质的含量可能占到蛋白质总量的27-41%[4]。

2 无序蛋白质的功能

天然无序蛋白质缺少稳定的二级结构及三级结构，却有重要的生物功能。研究者应用生物信息学的方法，分析蛋白质的结构无序与蛋白质功能之间的关联。由此人们发现天然无序结构域可以结合多个配体；同时一个配体上也可以结合多个无序蛋白；天然无序区域还可以连接蛋白质的功能结构域，调控蛋白复合物的功能。无序蛋白质有着许多重要的生物学作用，比如对转录和翻译的调控[5-7]、转导细胞信号[8-9]、蛋白质的磷酸化修饰[10-12]。

例如Dunker课题组利用无序蛋白质预测方法PONDR研究了无序蛋白质与很多功能的相关性[13]。他们的预测表明在真核生物体内，长度大于30个氨基酸的无序蛋白质片段在转录因子中的含量高达90%以上，在E.coli体内也高达62.5%；与信号传导相关的蛋白质中，有66±6%的蛋白质含有无序片段。

此外，研究者们将结构表征与生化分析相结合，详尽研究特定蛋白质的性质。人们较为了解的无序蛋白有p21和p27，它们通过抑制细胞周期蛋白依赖性激酶Cdks而起作用[14]。无序蛋白质甚至参与蛋白质的降解，蛋白质末端上的无序区域可以直接引导降解过程，而不需要进行泛素化。

3 无序蛋白质的结构与表征

蛋白质是否具有无序结构是由其一级结构，也就是氨基酸序列决定的。计算分析发现，与常见的有序蛋白质相比，天然无序蛋白质缺少异亮氨酸、半胱氨酸、缬氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和天冬酰胺这些疏水氨基酸，而具有丙氨酸，甘氨酸，谷氨酰胺，丝氨酸，赖氨酸等极性氨基酸，还含有丰富的脯氨酸[15-16]。同时，无序蛋白质序列上常常出现重复的区域。根据无序蛋白序列上的氨基酸偏好，人们发展出了方法预测蛋白质是否无序。首次对蛋白质无序区域的预测是在1997年，由Romero等人完成，其准确性达到了70%[17]。

无序蛋白质的原子位置和主链二面角随着时间发生很大程度的变化，无法用一个或者几个确定的构象来描述整个蛋白质的三维结构，因此直接的分子动力学模拟所能获得的信息甚少。不过无序蛋白质有多种多样的表征手段，许多表征都能对无序蛋白质表征中起到作用，例如X射线衍射、NMR、远紫外圆二色谱、小角度X射线衍射（SAXS）、粘度测定、凝胶过滤和光学散射法等。人们通常联合使用多种方法来对蛋白进行综合的表征，从而更精细地描述和分析无序蛋白结构。

尽管在溶液中单独存在时是无序的，很多无序蛋白质在与靶标结合后会发生折叠，形成一个更加有序的结构。这个过程通常被称为折叠与结合的耦合（coupled folding and binding）[18]。这个过程可以发生在与有序蛋白或无序蛋白之间相互结合时。如高度无序的ACTR和熔球态（molten globule）的NCBD结合后两个蛋白质都折叠形成了有序的结构[19]；而无序多肽淀粉样β蛋白能以β-折叠片的形式堆积成高度有序的纤维状结构[20]。

此外，由于細胞的内部环境很拥挤，细胞溶液中充满了各种大分子、小分子和离子，有研究者提出无序蛋白质在细胞内的拥挤环境下构象可能会有变化。目前有研究小组直接应用NMR方法研究细胞内无序蛋白质的结构。已有的实验结果显示不同蛋白质受分子拥挤的环境影响不同，有的无序蛋白质变得有序，也有的没有什么影响。endprint

4 無序蛋白质的优势

无序蛋白在分子识别过程中有重要作用，由于越复杂的物种就具有越复杂的分子识别机制，无序蛋白作为一种在真核生物中含量远远超过原核生物的蛋白，其在分子识别方面应该有些不容忽视的优势。无序蛋白质能够在不同的条件下和多个靶标进行特异性结合是一个被广泛认同的优势。另外，同一段无序蛋白质序列在与不同的靶标结合后可以形成不同结构。除了一对多的结合方式以外，无序蛋白质还存在多对一的结合方式。

此外，Shoemaker与Wolynes等人提出了“fly-casting”动力学模型[21]。无序蛋白质结构较为延展，因此能够从更长的距离上捕捉标靶，完成结合，从而使无序蛋白结合标靶的速度更快[21]。也有学者认为无序蛋白结构不固定的特点能帮助其减小结合的空间维族，从而可以大大降低了结合所需的自由能条件，这个特点所产生的优势更加明显，能将结合速度提高数十倍[22-23]。此外，无序蛋白质通常通过较短的片段来与靶标发生结合，这些较短的结合片段之间有着灵活的连接区域，因此无序蛋白可能是一步步断开部分片段的分子间作用来实现解离；较有序蛋白质的同时断开所有的连接相比，所需的能量更低，因此解离的速度更快。

蛋白质通过修饰链上的氨基酸，如磷酸化等，来进行信号的传递。因为无序蛋白质在信号传递方面也有生物学功能，所以无序蛋白可能也存在氨基酸修饰。而无序蛋白质的结构更为延展，能够暴露出更多可修饰的氨基酸位点，从而更易于进行氨基酸修饰。最近对小鼠前脑细胞的蛋白质组学研究进一步确认了无序蛋白质更倾向于进行磷酸化的性质。

5 无序蛋白质与多种癌症疾病相关

虽然无序蛋白质可动的结构使它们在生物体内能更有优势的参与分子识别，但是无序势必会给带来一些不利的影响[24-25]。例如Dunker课题组发现与人类癌症有关的蛋白质中，有79±5%的蛋白质含有无序片段；在与心血管疾病有关的蛋白质中，无序蛋白质的含量也高达57±4%[26]。表1格列出了目前研究已经确认的许多与疾病相关的无序蛋白。

6 结语

尽管无序蛋白没有固定的三维结构，其无序结构也是由氨基酸的构成决定的，因此无序蛋白其实同样符合“序列-结构-功能”的范式，无序作为蛋白质结构的一种存在形式，也可以实现生物学功能。天然无序蛋白质作为一个新兴的研究领域，逐渐获得了学术界的重视。新的构象表征和分析方法的发展以及新的无序蛋白质的发现不断促进人们对无序蛋白质结构和功能的认识。经过人们的不断研究探索，对无序蛋白的认识有了长足的进步，找出了无序蛋白的氨基酸组成特点和结构，发展了多种手段对无序蛋白进行预测。通过预测并且结合结构特征，人们也在一步步探索无序蛋白的生物学功能。同时逐渐探明了无序蛋白在分子识别中较有序蛋白的优势。并且在疾病方面有了更深入的了解，甚至为药物研发提供了新的机遇。无序蛋白的研究具有很大的潜力，随着研究的进一步深入，将来势必能在诸如分子动力学，分子识别以及疾病医疗方面带来更大的突破。

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