探秘生命第二密码：蛋白质

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蛋白质

鸡、鸭、鱼、全谷物...在美食家的眼里，它们只是满足一个人胃口的食物。很少有人想到食物中的蛋白质与生活活动之间的关系。

在研究者看来，蛋白质是基因功能的执行者，蛋白质之间的相互作用是生命活动的基础。毫不夸张地说，蛋白质是生命的起源。

像遗传科学一样，蛋白质也是生物学研究的一个重要对象，它的结构比dna分子更复杂，已经成为基因之外的第二生命密码。这门学科始于对蛋清的研究，现在已经深入到将煮熟的鸡蛋变成生鸡蛋，并找到一些严重疾病的原因，如癌症和阿尔茨海默氏病。

最近，由中国科学院院士史带领的研究团队在《科学》杂志上发表了研究成果，将酿酒酵母拼接装配过程中的一个关键复合物的解析推向了近原子水平。另一个外国研究小组宣布，他们获得了世界上第一张单分子高精度蛋白质图像。相关的基础研究将有助于学术界进一步探索蛋白质的奥秘。随着分子医学的进步，蛋白质药物进入了发展的黄金时期。

在过去的五年中，商业蛋白药物以每年10%左右的复合增长率增长，年市场规模已超过1000亿美元。重组蛋白药物专家认为，这一市场将继续发展，并将在2020年左右达到顶峰。

不可或缺的生命能量

对于支持生命活动的关键物质的探索，人类总是有一些后见之明。就像生物体呼吸空气体达数亿年之久一样，空气体的成分是由拉瓦锡确定的。蛋白质研究的最早记录不到300年前。

在18世纪，蛋白质被发现是一种独特的生物分子，可以通过酸处理凝结或絮凝。当时的科学家只能确认蛋清、血液、小麦等等都含有这种分子。19世纪，荷兰化学家格柏·荣格·苏·穆德分析了普通蛋白质的元素，发现几乎所有的蛋白质都有相同的实验公式。1838年，他的搭档永西·贝瑟利乌斯选择用“蛋白质”这个术语来描述这种分子。

鸡蛋和肉被归类为高蛋白食物，以此类推，人体也必须含有大量的蛋白质。科学数据显示，蛋白质约占人体总质量的18%。从头发到脑组织，从内分泌激素到骨骼，它由蛋白质组成。

人体内的细胞一直在生老病死，蛋白质是修复和更新人体组织的最重要的物质。最明显的例子是，长期饥饿和蛋白质摄入不足的人总是面色蜡黄，头发稀疏。总能获得高质量蛋白质的生物体在皮肤和身体上都显得更丰满。

在身体的深处，不同的蛋白质参与各种复杂的操作，如复杂的机器，如运输氧气的血红蛋白，运输脂肪的脂蛋白，消化道中促进食物消化、吸收和利用的蛋白酶，更多的蛋白质参与体液的酸碱平衡，神经系统的运作，激素调节等。

如果细胞中的dna双螺旋结构携带了生物体的遗传密码，蛋白质就是驱动生命活动的能量。在分子生物学领域，探索蛋白质的意义不亚于基因研究。

蛋白质的化学成分并不复杂。它必须含有四种元素，即碳、氢、氧和氮，而且一般含有十多种元素，如磷、硫和铁。然而，蛋白质的结构比dna的结构更复杂。首先，蛋白质由α-氨基酸按一定顺序组成多肽链，这是一维的。然而，肽链并不具有复杂的功能，具有某种空结构的化合物必须以其特定的方式被一个或多个多肽链结合，才能被称为蛋白质。这种蜿蜒的形成过程被称为蛋白质折叠。

目前，研究人员对蛋白质如何自组装并形成初级至四级结构知之甚少。

发现蛋白质结构的“长征”

在过去的几十年里，在蛋白质结构研究方面取得突破的科学家经常获得诺贝尔奖。20世纪60年代，美国科学家安芬森发现未折叠的蛋白质可以在体外自发折叠，并提出了蛋白质折叠的“热力学假说”。安芬森获得了1972年的诺贝尔化学奖。

1982年，英国分子生物学家艾伦·克鲁格(Aaron Kruger)因其在结晶学中通过电子衍射测量核酸-蛋白质复合物三维结构的成就获得了诺贝尔化学奖。三年后，另一位美国科学家因发现了用x光测定晶体结构和蛋白质结构的方法而获得了诺贝尔奖。

尽管确定蛋白质结构的难度已经降低，但蛋白质的可变性和多样性决定了科学家需要花费大量的精力来分析生物体中的蛋白质。但是这项几乎详尽的研究只是揭开蛋白质秘密过程中的一小步。

最近的一些披露仍然令人兴奋。在arxiv(一个收集科学论文的网络数据库)上，一个研究小组宣布使用低能全息电子显微镜和石墨烯材料来收集单一蛋白质的图像。根据分析，利用这种技术，可以在将来分析以前不能结晶的蛋白质，并且可以从各个方面更准确地研究蛋白质的结构。

中国科学院院士石领导的研究团队将酿酒酵母拼接过程中一个关键复合体的分辨率提高到3.8埃，接近原子分辨率。

剪接体是由rna(核酸)和蛋白质组成的复合体。它也是将rna转化为蛋白质并参与生命活动的关键。它是真核生物最基本的分子机器之一。基因的错误剪接或剪接体的错误调控与许多疾病有关。

改变蛋白质或改变命运

对科学家来说，获得蛋白质的精细结构是他们职业生涯中的一个里程碑。普通人可能更愿意理解蛋白质工程发展对人类健康的益处。

鸡蛋加热后，蛋白和蛋黄会凝固，成为一个卵细胞的食物。这种变化在固有认知中是不可逆的，称为蛋白质变性反应。但2015年爆发了一条新闻，颠覆了人们的想法。

据uci新闻月刊报道，加州大学的教授和澳大利亚科学家将冷冻蛋白恢复到原来的液态。据报道，由于热和化学反应，鸡蛋中一种叫做溶菌酶的透明蛋白质会变白并凝固，然后生成新的结构。科学家使用尿素和机械设备将凝固的蛋白质还原成液体。领导这项研究的格雷戈里.维斯教授说，分离蛋白质的技术有很大的潜力。一个希望是简化人工蛋白质的形成，并大大降低抗癌药物的成本。

美国的研究人员称，一种叫做sirt1的蛋白质被发现可以延长老鼠的寿命。基于这一研究，未来有可能开发出能够缓解与年龄相关的代谢性疾病和慢性疾病的分子。目前，这项研究仍处于早期阶段，有朝一日将应用于人类。

有更多的研究表明，一些蛋白质与致命疾病有关。如果我们能深入了解蛋白质折叠和错折叠的关系，将为阐明其发病机制和治疗方法提供重要线索。

最近，英国癌症研究所发布了一份新闻报告，称通过分析不同于非致癌蛋白质的致癌蛋白质的独特行为，绘制了这些蛋白质的“社会网络”图。研究人员发现，与非致癌蛋白质相比，致癌蛋白质通常具有特殊的“社会行为”特征。使用计算模型来绘制致癌蛋白质的相互作用模式将有助于研究人员更好地预测抗癌药物的目标蛋白质。

像橡皮擦一样，记忆被逐渐抹去的阿尔茨海默氏症患者的大脑中会有淀粉样斑块。现有的药物对这种疾病无能为力，只能眼睁睁地看着病人的智力水平越来越低，直到他死去。研究表明，这种疾病与蛋白质聚集或错误折叠有关。

2014年7月，的团队公开展示了与阿尔茨海默病直接相关的人γ-分泌酶复合体的精细三维结构。石打个比方说，这一成就相当于让人们从100米外看一个馒头变成5米外看一个馒头，未来的目标是把看馒头的距离缩短到10厘米。

自闭症患者可能比老年痴呆症患者更不幸。由于异常染色体和候选基因，蛋白质表达异常，有些人天生孤独，可能永远孤独。

中国科学院上海生物科学研究所神经科学研究所的邱子龙发现了孤独症相关蛋白mecp2的新功能。Mecp2是一种甲基化的dna结合蛋白，负责募集转录抑制复合物和关闭基因表达。人类mecp2基因的突变或拷贝数增加将导致自闭症和其他发育性神经系统疾病。该研究小组的实验揭示了mecp2参与了小rna剪接的新功能，并提示这一功能是由mecp2基因突变引起的发育性神经系统疾病的相关发病机制。

科学家还发现，几年前让世界谈论颜色变化的疾病，如疯牛病和禽流感，也与蛋白质有关。

美国生物化学家斯坦利·普鲁西纳发现了一种叫做朊病毒的致病因子，它是感染疯牛病的动物的罪魁祸首。朊病毒是蛋白质的旧称，也就是说，斯坦利认为这种致病因子是一种有毒的蛋白质，是一种不含核酸而只含蛋白质的自我复制和传染因子，其生物学位置至今尚未确定。由于这一发现，斯坦利获得了诺贝尔生理医学奖。从那以后，一个英国研究小组发现一种叫做磷脂酰肌醇蛋白聚糖-1的蛋白质的存在将导致异常朊病毒数量的增加，进一步揭示了疯牛病的病因。

今年1月，英国科学家在《自然》杂志上发表了一篇论文。发现了一种叫做anp32a的单一蛋白质，它可以限制禽流感病毒在哺乳动物体内的活动。专家评论说，这一发现可能为开发新的抗病毒药物开辟道路。

蛋白质组学前景广阔

基因是生物体的遗传密码。科学家可以通过直接改变基因来治愈一些病人，并通过基因筛查提醒人们患某些疾病的风险。然而，蛋白质是基因功能的执行者，化学试剂需要与蛋白质直接结合才能发挥作用。从这个角度来看，改变蛋白质也会改变命运。将来，如果人类想战胜癌症和其他绝症，它可能是基因技术和蛋白质技术的结合。

尽管蛋白质组学没有基因领域那么热门，但它的市场近年来稳步发展。咨询公司Marketsandmarkets报告称，蛋白质组学市场发展的主要原因是蛋白质组学仪器领域出现了越来越多的创新和发展，以及研发资金的增加。2013年，该市场价值达到102.23亿元。到2017年，全球蛋白质组学市场的产值预计为172亿美元，复合年增长率为14.2%。

市场研究公司Bcc research认为，蛋白质组学研究的市场主体将转移到药物研发、医疗产品开发和诊断，最终转移到消费市场的应用。最终消费市场的最大增长将是诊断市场，预计2017年将达到15亿美元。

中国在蛋白质组学的研究上也投入了大量的人力和财力。总投资7.56亿元人民币、拥有国际顶尖设备的国家蛋白质科学研究(上海)中心已在上海浦东张江登陆，拥有第三代同步辐射光源、原子力显微镜、核磁共振和电子显微镜等世界级设备。一流的硬件设施可能会改变蛋白质科学的研究方法，帮助中国的蛋白质研究攀登全球生物产业的高峰。