生物细胞内也能发生蝴蝶效应?

来源:环球科学发布时间:2020-06-02

通过这些研究,科学家或许可以发现新的药物来控制福氏志贺氏菌在人群中的爆发。

根据数学中的混沌理论,一个细微的变化都可能在其他地方引起巨大的变化。最近有科学家发现,这种现象似乎也适用在生物细胞内。

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○ 福氏志贺氏菌。| 图片来源:iStock

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“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,会在美国德克萨斯州引发一场龙卷风吗?”洛伦兹(Edward Lorenz)曾在美国科学促进会第139次会议上提出过这样一个著名的问题。根据数学中的混沌理论,一个细微的变化都可能在其他地方引起巨大的变化。最近有科学家发现,这种现象在更小的尺度上似乎也适用,比如在生物细胞内。

最近,印度国家生物科学中心的一个研究团队发现,在UBC13蛋白(泛素缀合酶E2 13)中,由一种细菌酶所引起的微小变化能导致一系列小的原子变化,这些变化最终叠加在一起,阻止了UBC13与TRAF6蛋白(肿瘤坏死因子相关因子6)的结合。当这两种蛋白无法结合成UBC13-TRAF6复合物时,被感染的宿主细胞就无法释放出针对细菌的免疫应答信号。

而这一切仅仅是由蛋白质分子中的三个原子所发生的微小变化所引起的。一种名为福氏志贺氏菌(Shigella flexneri)的细菌利用的正是这种原子尺度上的“蝴蝶效应”,关闭了被它感染的宿主细胞的免疫信号系统,得以在被它感染的宿主细胞中生存。

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福氏志贺氏菌是一种鬼祟而又传染性极高的细菌,这种细菌每年能导致近20万人死于腹泻,其中三分之一发生在婴儿身上。更糟糕的是,这种细菌现在已经出现了好几种耐药菌株,而我们目前却仍然缺乏相应的疫苗或药物来预防或限制它们的蔓延。

这类首先会附着在宿主肠道内的细胞上,从而导致腹泻;然后,它们会通过一种针状的装置,向宿主体内泵入它们的秘密武器——一种酶,这种酶能改变宿主细胞中的UBC13蛋白上的一个氨基酸。这种变化会使UBC13无法与它的拍档蛋白TRAF6相结合,从而有效阻止宿主细胞发出炎症反应信号。在此之后,福氏志贺氏菌便能渗透进宿主细胞内进行增殖。

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○ 福氏志贺氏菌(中)会阻止人体蛋白UBC13(绿)和TRAF6(蓝)结合,从而破坏人体宿主细胞的免疫反应。| 图片来源:Arun GS

我们知道,一个蛋白质分子中通常约有3000个原子,而这一机制却仅与三个原子有关,这是一个非常微小的变化。仅因三个原子的变化就导致了宿主免疫应答的关闭,研究人员对这一结果背后的机制知之甚少。于是,他们通过结合结构研究、计算模型和酶的实验,检测了当失去这三个原子时,会产生怎样的影响。

他们发现,当一个胺基从UBC13蛋白中的一个氨基酸中被移除时,UBC13的分子结构虽然并没有发生变化,但是会发生一系列相对较小的原子堆积,这会完全破坏UBC13与TRAF6蛋白的结合能力,阻碍了免疫应答通路中的关键一步。

UBC13中的第14个氨基酸是一种精氨酸残基(精氨酸14),它在UBC13与TRAF6之间形成一种所谓的“盐桥”(一种电荷相反的离子间的键)的过程中起着至关重要的作用。若要维持UBC13-TRAF6复合物的稳定性,那么盐桥是必不可少的。而UBC13-TRAF6复合物又在免疫应答信号中起着关键作用。当细菌酶在降解一种谷氨酰胺残基(谷氨酰胺100)时,中性的胺基会被带有负电荷的羟基所取代。

如此一来,羟基就会从UBC13-TRAF6分子间的盐桥中“偷”走精氨酸14,让它与自身形成一个分子内盐桥。这样就破坏了UBC13和TRAF6之间短暂的相互作用,也就破坏了形成UBC13-TRAF6复合物所必需的过程。最后,UBC13表面的新的负电荷会在UBC13和TRAF6蛋白之间产生短暂的斥力。

盐桥和表面的吸引力共同创造了一种强大到足以稳定或维持UBC13-TRAF6复合物的力量。随着这些力量的消失,复合物就会分解,一旦没有了这种复合物,对抗细菌的免疫信号就被阻断了。

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研究人员表示,这一发现帮助我们了解了单个氨基酸在蛋白质之间的关联中所起到的作用,也更清晰地表明了蛋白质在细胞内是如何运转的。目前,这是对蛋白质中的谷氨酰胺脱氨作用阻碍了其宿主细胞正常运转的机制所展开的首个研究,他确定了这种机制能使细菌减弱细胞的炎症反应,提高细菌在人体宿主中生存的能力。

此外,这一研究对于理解福氏志贺氏菌是如何削弱人体炎症反应的机制具有非常重要的临床意义。通过这些研究,科学家或许可以发现新的药物来控制福氏志贺氏菌在人群中的爆发。


参考来源:

https://phys.org/news/2019-11-subtle-big-effects.html

原标题:三个原子引发的蝴蝶效应

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