膠原蛋白是如何“釘”在一起的

我們靠膠原蛋白維系在一起。這種纖維狀大分子的結構就像一根扭曲的繩子，占人體內蛋白質的15%到20%，在機械支撐我們的細胞和組織方面起著至關重要的作用。但令人驚訝的是，膠原蛋白在體溫下是不穩定的。

在近日于美國加州舉行的美國物理學會全球峰會上，研究人員終于揭示了膠原蛋白是如何保持其形態的——由含硫氨基酸形成的分子“釘”簇。

沒有參與該研究的美國加州大學默塞德分校生物物理學家Jing Xu表示，確定膠原蛋白能夠聚集在一起的關鍵原因，標志著“朝理解這種蛋白質的生物學之謎邁出了重要一步”。這一發現可能為生物工程和再生醫學提供新工具。

膠原蛋白是一種絲狀蛋白質，由3條相互纏繞的氨基酸鏈組成，扭在一起形成三股螺旋結構。由這些螺旋結構構成的纖維隨后聚合成網絡，進而形成堅固的支架，將細胞固定在適當的位置，同時又保持足夠的可塑性，以應對環境變化。事實上，這種可塑性有助于膠原蛋白鏈傳遞調節細胞行為的信息，讓纖維網絡可以將機械刺激轉化為生物化學信號。

令人困惑的是，大多數蛋白質在遠高于體溫的情況下都能很好地保持折疊形態，而折疊并扭曲成三股螺旋結構的膠原蛋白卻不能。

2002年，研究人員發現，在人體內，膠原蛋白的展開或“融化”溫度略低于37攝氏度，也就是平均體溫。奇怪的是，大量其他不同體溫的生物也是如此——膠原蛋白的“熔點”會隨動物體溫的變化而變化，魚類膠原蛋白“融化”溫度比人類膠原蛋白低得多。

會上，加拿大西蒙·弗雷澤大學的生物物理學家Nancy Forde展示了所做的膠原蛋白分析。“細胞在體溫下會產生折疊的膠原蛋白，所以問題就變成了它在體內能持續多久。”她說。

如果組織工程師能夠模仿生物體由本質上不穩定的構建塊形成穩定結構的能力，就會擁有更堅固的材料，用于制造培養組織和器官或其他目的的人工支架。了解膠原蛋白的穩定性，也能幫助醫生更好地理解依賴這種蛋白質的結締組織疾病，如成骨不全癥和埃勒斯-當洛斯綜合征。

加拿大麥吉爾大學的生物工程師Allen Ehrlicher說：“盡管膠原蛋白是一種關鍵的細胞外蛋白質，但其熱不穩定性和機械特性的潛在細節仍不清楚。”

過去的研究已探索過哪些氨基酸構成了膠原蛋白纖維長而復雜的序列，但未能揭示三股螺旋是如何折疊和展開的，因為很難在如此龐大的結構中觀察到微觀過程。此外，研究人員無法通過反復解開和重新扭曲膠原蛋白獲取更多信息，因為重新扭曲需要數小時，在實驗環境中這是一段極其漫長的時間。

為了弄清楚膠原蛋白是如何形成螺旋結構的，Forde和當時的博士生Alaa Al-Shaer采用一種名為原子力顯微鏡的方法，對數百個膠原蛋白三股螺旋結構在不同溫度下解體時進行原子級成像。

結果發現，在37攝氏度的環境下，膠原蛋白在一小時內逐漸失去結構，在坍塌成無規則的團塊時長度縮短。隨后的圖像也讓研究人員能夠準確追蹤當分子冷卻時，膠原蛋白哪些部分幫助較大的鏈逐漸變長并重新扭在一起。

事實證明，奧秘在于膠原蛋白結構中幾個富含硫的片段。當研究人員仔細觀察IV型膠原蛋白時，發現二硫鍵簇起到了結構“釘”作用，將成對的膠原蛋白鏈維系在一起，并延長了扭曲結構的壽命。這些鍵被稱為“半胱氨酸結”，因為它們涉及同名的含硫氨基酸，啟動了膠原蛋白重新折疊成三股螺旋結構的過程。

后續實驗表明，一種經過化學改造、缺失半胱氨酸結的膠原蛋白會更快地解開螺旋結構，并且根本無法重新折疊。

Al-Shaer還發現，半胱氨酸結在多細胞生物的各類膠原蛋白中廣泛存在，如在水母、蠕蟲、海星和哺乳動物的膠原蛋白基因中，都能找到所需氨基酸序列的指令。Forde說，半胱氨酸結在進化上的保守性以及明顯的古老起源，暗示了它“在幫助將鏈固定在一起并賦予蛋白質熱彈性方面”的重要性。