分子内分子伴侣对蛋白质折叠的研究
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作者:王远锏
摘 要：分子内分子伴侣（IMC）是在蛋白前体肽链中具有分子伴侣功能的氨基酸序列，其正常的功能执行可以帮助蛋白质折叠成可执行自身正常功能的非最稳定状态构象，包括在多种生物中大量存在的位于N端的IMC与主要存在于真核生物中位于C端的IMC两种，分别负责辅助蛋白质亚基正确折叠与多个亚基组装成完整蛋白。研究IMC自身的结构与性质对蛋白质折叠作用，对确定执行相应功能的氨基酸残基、不同IMC作用机制与拓展传统的体外蛋白质生产技术均有很大意义。
关键词：分子内分子伴侣 蛋白质折叠 研究意义
中图分类号：Q71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0249-02
1 分子内分子伴侣的介绍
分子内分子伴侣是一类辅助蛋白质折叠、伴随蛋白质一同表达的特殊肽段，这并在蛋白质折叠完成后被降解。分子内分子伴侣协助的蛋白质折叠形成的构象处于一种非最稳定状态。这种自带分子内分子伴侣的蛋白质多肽链包括分子内伴侣区段与折叠形成功能蛋白的成熟肽段。前者一般位于多肽链的N端或C端，引导成熟肽段折叠成可执行自身功能的构象，而后自身被降解。分子内分子伴侣自身结构的变化对成熟肽的正常结构形成与正确生理功能表达均有影响，由于蛋白质高级结构错误，且分子内蛋白伴侣在完成其功能之后就被降解，无法通过一般手段寻找蛋白质生理功能无法正常表达的原因。
2 分子内分子伴侣的种类
分子内分子伴侣包括两类，即位于肽链N端的分子内分子伴侣与位于肽链C端分子内分子伴侣。
位于肽链N端分子内分子伴侣在许多生物体中帮助蛋白的成熟肽区段获得自身功能正确执行的高级构像，仅对于单体蛋白发挥作用。枯草芽孢杆菌中有很多蛋白前体利用此手段进行正确构象的折叠。枯草芽孢杆菌纳豆激酶是一种具有溶解血栓能力的生物药物，根据Yan Jia[1]等的研究，这种蛋白的正确折叠需要第一类分子内分子伴侣的辅助，在该分子伴侣中存在Trp106与Gly102、Tyr104和Ser105，这4种氨基酸残基辅助IMC结构域的Ala74、His72和Asp71形成氢键，进一步辅助枯草芽孢杆菌纳豆激酶正确折叠，以执行正确功能，当Trp106被替换之后，两个氢键无法形成，造成纳豆激酶由于构象异常而对底物亲和力下降。在产孢梭菌S40中存在一种与孢子萌发相关的孢子皮层裂解酶，这种酶可以降解孢子的特异性肽聚糖从而辅助孢子萌发，根据S. Okamura[2]的研究，其N端的分子内分子伴侣对其正确折叠与功能执行也发挥着作用。与前体蛋白具有同源性的分子伴侣在与前体蛋白共价结合后提高了前体蛋白的热稳定性，同时赋予前体蛋白可以被GSP激活的能力，使前体蛋白C35转化为活性的C31。在外陰弧菌种存在一种蛋白酶V. vulnificus protease （VVP），成熟的VVP包括两个结构域组成，一个是具有蛋白水解活性的N端核心结构域，另一个是C端结构域介导与蛋白质底物的结合，其N端有一个前肽，分子量为45kDa，含413个氨基酸残基，根据Tomoka Kawase[3]等人的研究，这个前肽一个可能作为分子内蛋白伴侣促进N端和C端区的正确折叠。
位于肽链C端分子内分子伴侣主要存在于真核生物中，主要负责帮助无功能蛋白亚基组装形成有功能的多聚体蛋白质，数量相对较少。兔肌肉肌酸激酶（RMCK）使维持兔肌肉中高水平ATP的关键酶之一，该酶的C端有一个含有约250个残基的片段，Zhe Chen[4]的研究中，将这个片段分离出来并在大肠杆菌中进行表达，发现该片段具有分子伴侣的活性并相互聚集实现RMCK的组装。
3 分子内分子伴侣的研究意义
分子内分子伴侣的研究意义包括以下几个方面：根据已有文献，分子内分子伴侣对各自成熟肽协助作用的分子机制存在着差异。根据Jia Y[5，6]的研究，在枯草芽孢杆菌中存在两种subtilisin家族蛋白：subtilisin E与NK，两者的分子内分子伴侣均位于N端，且高度保守，均包含一个Ile30残基且对于二者的折叠有不同的影响，因此，研究同一家族分子内分子伴侣对不同蛋白质的折叠作用与分子机制，确定上引导蛋白前体折叠成熟的氨基酸残基类型，均具有很重要的理论意义。
分子内分子伴侣对于体外蛋白质合成也具有重要意义，目前在使用重组细菌生产的蛋白质由于缺少正确的折叠构象导致没有正常的生理活性。在Yan Jia的研究中就使用了含有分子内分子伴侣的编码序列的表达纳豆激酶的pET-26b（+）重组质粒导入大肠杆菌中，表达出了正确折叠的纳豆激酶，在编码蛋白的基因片段前连接分子内分子伴侣的编码序列，可以使重组细菌表达出正常折叠的蛋白，且分子内分子伴侣在完成自身功能后发生降解，不会影响蛋白本身功能与性质，提高重组细菌在蛋白生产上的应用。
参考文献
[1] Jia Yan，Liu Hui，Bao Wei，et al. Functional analysis of propeptide as an intramolecular chaperone for in vivo folding of subtilisin nattokinase[J].FEBS Letters，2010，584（23）：4789-4796.
[2] Okamura S，Urakami K，Kimata M，et al. The N-terminal prepeptide is required for the production of spore cortex-lytic enzyme from its inactive precursor during germination of Clostridium perfringens S40 spores[J].Molecular Microbiology，2000，37（4）：821-827.
[3] Tomoka Kawase，Fumi Miura，Anusuya Debnath，et al. Functional analysis of N-terminal propeptide in the precursor of Vibrio vulnificus metalloprotease by using cell-free translational system[J]. Protein Expression and Purification，2018（149）：13-16.
[4] Zhe Chen，Xiang-Jun Chen，Mengdie Xia，et al. Chaperone-Like Effect of the Linker on the Isolated C-Terminal Domain of Rabbit Muscle Creatine Kinase[J]. Biophysical Journal，2012，103（3）：558-566.
[5] Jia Y， Liu H， Zou G， et al. Functional analysis of propeptide as an intramolecular chaperone for in vivo folding of subtilisin nattokinase[J].FEBS Letters，2010， 584（23）：4789-4796.
[6] Jia Y， Cao X， Zou G， et al. Four residues of propeptide are essential for precursor folding of nattokinase[J].Acta Biochimica et Biophysica Sinica，2014，46（11）：957-964.
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