胶原蛋白如何“钉”在一起

来源：中国科学报

胶原蛋白的三螺旋结构。

本报讯 具有纤维状大分子结构的胶原蛋白就像一根扭曲的绳子，占人体蛋白质的15%到20%，并在机械支撑人体的细胞和组织方面起着至关重要的作用。但令人意外的是，胶原蛋白在体温条件下是不稳定的。

在近日于美国加利福尼亚州举行的美国物理学会全球峰会上，研究人员揭示了胶原蛋白维持形态的关键机制——由含硫氨基酸形成的分子“钉”状结构簇。这一发现或将为生物工程和再生医学提供新工具。

胶原蛋白是一种丝状蛋白质，由3条相互缠绕的氨基酸链扭在一起形成三螺旋结构。这些螺旋纤维进一步聚合成网络，最终形成坚固的支架，后者既能将细胞固定在适当位置，又能保持足够的可塑性，以应对环境变化。

但令人困惑的是，大多数蛋白质在高于体温的情况下都能很好地保持折叠形态，而胶原蛋白的三螺旋结构却无法做到这一点。

2002年，研究人员发现，人体内胶原蛋白的展开（或称“熔化”）温度略低于37摄氏度，这是我们的平均体温。奇怪的是，其他许多体温不同的生物也是如此，即胶原蛋白的“熔点”随动物体温的变化而变化，例如鱼类胶原蛋白的“熔点”就显著低于人类。

“细胞在体温下会产生折叠的胶原蛋白，核心问题在于它能在体内持续多久。”加拿大西蒙·弗雷泽大学的生物物理学家Nancy Forde在会上指出。

如果组织工程师具有模仿生物体利用不稳定单元构建稳定结构的能力，他们有望开发更坚固的人工支架材料，用于组织培养或器官再造。此外，明确胶原蛋白的稳定机制也能帮助医生解析成骨不全症、埃勒斯-当洛斯综合征等结缔组织疾病的病理基础。

“尽管胶原蛋白是一种关键的细胞外蛋白质，但其热不稳定性和机械特性的潜在细节仍不清楚。”加拿大麦吉尔大学的生物工程师Allen Ehrlicher说。

既往研究已探索过哪些氨基酸构成了胶原蛋白纤维长而复杂的序列，但未能揭示三股螺旋是如何折叠和展开的，因为在如此庞大的结构中观察微观过程是很困难的。此外，研究人员无法通过反复解开和扭曲胶原蛋白获取更多信息，因为重新扭曲需要数小时，这是一段极其漫长的实验时间。

为弄清楚胶原蛋白是如何形成螺旋结构的，Forde和她的博士生Alaa Al-Shaer采用原子力显微镜技术，对数百个胶原蛋白三螺旋结构在不同温度下的解聚过程进行了原子级成像。结果发现，在37摄氏度环境中，胶原蛋白结构在1小时内逐渐崩解，最终缩短为一个无序团块。后续图像则清晰捕捉到在降温过程中，分子链特定区域如何引导结构重新延长并扭转。

事实证明，奥秘在于胶原蛋白结构中几个富含硫的片段。当仔细观察IV型胶原蛋白时，研究人员发现二硫键簇起到了结构“钉”作用，将成对的胶原蛋白链维系在一起，并延长了扭曲结构的寿命。这些被称为“半胱氨酸结”的键能够启动胶原蛋白重新折叠成三螺旋结构的过程。后续实验表明，一种经过化学改造、缺失半胱氨酸结的胶原蛋白会更快地解开螺旋结构，并且根本无法重新折叠。

Al-Shaer还发现，半胱氨酸结在多细胞生物的各类胶原蛋白中广泛存在，如水母、蠕虫、海星和哺乳动物的胶原蛋白基因中，都能找到所需氨基酸序列的指令。Forde说，半胱氨酸结在进化上的保守性及其明显的古老起源，暗示了它“在帮助将链固定在一起并赋予蛋白质热弹性方面”的重要性。（王方）