胶原蛋白牢固的秘密被解
我们是由胶原蛋白维系在一起的。这种纤维状的大分子结构如同扭曲的绳索，占我们身体中蛋白质总量的15%至20%，并且在从机械层面支撑我们的细胞和组织方面发挥着至关重要的作用。但令人惊讶的是，胶原蛋白在体温条件下本质上是不稳定的。如今，最近在美国物理学会（APS）全球峰会上详细阐述的研究结果，终于揭示了胶原蛋白保持其形态的方式：由含硫氨基酸形成的分子 “钉状物” 簇。
未参与这项研究的加州大学默塞德分校的生物物理学家徐静表示，确定胶原蛋白维系在一起的这一关键原因，标志着在理解这种蛋白质的 “生物学谜题” 方面迈出了 “重要一步”。这一发现也可能为生物工程和再生医学提供新的工具。
胶原蛋白是一种丝状蛋白质，由三条相互缠绕的氨基酸链组成，拧在一起形成三螺旋结构。由这些螺旋结构组成的纤维随后聚集成网络，进而形成坚固的支架，将细胞固定在适当的位置—— 同时又保持足够的可塑性，以应对环境的变化。事实上，这种可塑性有助于胶原蛋白链传递调节细胞行为的信息，因为它能让纤维网络将机械刺激转化为生化信号。
难题在于，大多数蛋白质在远高于体温的温度下都能很好地保持其折叠形态，而折叠并扭曲成三螺旋形态的胶原蛋白却不能。2002年，研究人员发现，在人类体内，胶原蛋白的展开或 “融化” 温度略低于37摄氏度，也就是我们的平均体温。奇怪的是，对于大量其他体温不同的生物体来说也是如此：胶原蛋白的熔点会随着动物体温的变化而变化，鱼类的胶原蛋白展开的温度比人类胶原蛋白展开的温度低得多。
西蒙弗雷泽大学的生物物理学家南希·福德说：“不知为何，细胞在体温条件下合成了折叠的胶原蛋白，所以问题就变成了它在体内能维持多久。” 福德于3月18日在美国物理学会会议上展示了她对胶原蛋白的分析，并对2024年10月上传到bioRxiv的一篇预印本论文进行了详细阐述，她是这篇论文的资深作者。
如果组织工程师能够模仿生物学中从本质上不稳定的组成部分构建稳定结构的能力，他们就能获得更坚固的材料，用于制造人工支架，以培育组织和器官或用于其他目的。了解胶原蛋白的稳定性，也能帮助医生更好地理解那些依赖这种蛋白质的结缔组织疾病，包括成骨不全症和埃勒斯-当洛斯综合征。麦吉尔大学的生物工程师艾伦·埃利希说：“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性能的潜在细节仍不清楚。”
过去的研究曾检查过哪些氨基酸构成了胶原蛋白纤维长而复杂的序列，但由于很难在如此庞大的结构中观察到如此小规模的过程，这些研究无法揭示这种蛋白质潜在的三螺旋是如何折叠和展开的。此外，研究人员无法从反复解开和重新扭曲胶原蛋白中获得更多信息，因为其解开的状态需要数小时才能恢复，这在实验环境中是一段极其漫长的时间。
为了弄清楚胶原蛋白是如何形成其扭曲结构的，福德和阿拉·阿尔-沙尔（当时是福德实验室的一名博士生）使用了一种名为原子力显微镜的方法，在原子层面上对数百个胶原蛋白三螺旋进行成像，观察这些结构在不同温度下解体的过程。阿尔-沙尔和福德发现，在1小时的过程中，胶原蛋白在37摄氏度时逐渐失去其结构，在塌陷成无规则团块时长度缩短。随后的图像也让研究人员能够准确追踪当分子冷却时，胶原蛋白的哪些部分帮助较大的链逐渐重新变长并重新拧在一起。
结果发现，其中的奥秘在于胶原蛋白结构中一些富含硫的片段。当阿尔-沙尔和福德仔细观察IV型胶原蛋白（一种构成各种组织网络的蛋白质形式）时，他们发现二硫键簇起到了结构 “钉状物” 的作用，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。这些键被称为 “半胱氨酸结”，因为它们涉及同名的含硫氨基酸，正是它们启动了胶原蛋白重新折叠成三螺旋的过程。
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版本解开得更快，而且根本无法重新折叠。阿尔-沙尔还发现，半胱氨酸结在多细胞生物的各种胶原蛋白中普遍存在：在水母、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。福德说，这种结在进化上的保守性和明显古老的起源暗示了它 “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。
这一发现也暗示了一般情况下，对胶原蛋白三螺旋结构的破坏是如何阻碍其重新折叠的。在许多结缔组织疾病中，将错误的氨基酸替换到胶原蛋白中的突变，最终会干扰胶原蛋白形成三螺旋的正常过程。范德比尔特大学医学中心的分子生物学家谢尔盖·布德科说，这项研究在设计胶原蛋白片段方面提供的 “有价值的指导”，“可用于研究（胶原蛋白的）生物学特性并开发新的疗法”。
对福德来说，半胱氨酸结的发现也解开了她职业生涯中长期以来的一个谜团。她说：“20多年来我一直想回答这个问题。我认为这是我的团队得出的最令人兴奋的科学成果之一。”
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