Science：假酶不“假”

yinfuhua

) E6 g  H: Z7 h, l+ n) j

, }/ f8 K) i) K" U& O" N  BScience：假酶不“假”; [. n: E$ o5 y  N, `
2013-06-01 来源：lifeomics 作者：筱玥   `3 W, t7 Y/ q2 f# H* |

* b3 ?: ?! T- R# \% S) R3 ~假酶（pseudoenzymes）虽然不能催化任何化学反应，但是科学家最近发现这些酶并不是一无是处的，它们在细胞内还可以行使很多其它的功能。; ^6 b" Q. y: r% ~) o
大约在十年以前，科学家发现在人体内有一批酶都是没有活性的“废物”，他们当时对这种现象感到极为震惊，觉得这太不可思议了。因为我们都知道，如果没有能够催化生化反应的酶，我们人类根本就无法生存。那么既然酶的催化活性如此重要，人体内为什么还会存在这么多没有催化活性的蛋白呢？这完全不符合逻辑。而且为什么我们的人体还要源源不断地合成这些看起来毫无用处的东西呢？
! b2 t) a; G  Z. K科学家最初是在2002年时才首次意识到在人体内存在大量的假酶。当时有一个课题组对刚刚公布的人类基因组草图序列进行了一番梳理，他们希望从中挑选出所有蛋白激酶（protein kinases）的编码基因。激酶是我们人体内非常重要的一种酶，它们在细胞内主要起着信号通路分子开关的作用，能够使多种底物发生磷酸化反应，控制包括细胞代谢、运动在内的多种细胞活动。' o  N" J& T6 F; v& C: w7 i
人体的基因组大约编码了518种蛋白激酶，但是其中大约有10%的蛋白至少会缺少激酶催化活性所必需的3大关键氨基酸中的一种，也就是说这10%的激酶其实并不具备激酶催化活性，它们都是假酶（科学家们对这种酶的叫法）（详见Science , 6 December 2002, p. 1912）。据这篇论文的作者，现在在美国加利福尼亚州南旧金山Genentech公司生物信息学及计算生物部（bioinformatics and computational biology at Genentech in South San Francisco, California）担任主任的Gerard Manning介绍，虽然在之前也有人报道过类似的没有活性的酶，但是大批量发现假酶还是让科学界大吃一惊。Manning继续说道：“我们当时认为肯定是哪里出问题了。”# O1 F6 \, u+ c+ w6 K8 l- P) n
不过更进一步的研究证实 Manning等人并没有错。几乎在每一个酶家族中都会出现一两个“懒惰”份子，而且在硫基转移酶（sulfotransferases）等酶家族中，甚至会有一半以上的家族成员都是假酶。在细菌、植物、螨虫等其它生物中也都能观察到假酶的存在。
% Z9 u* |; [, j" v  A. ?Manning等人以及其他人发现的假酶编码基因并不是降解的 DNA序列。细胞一直都在表达这些酶，而且它们的编码基因在生物体千百万年的进化历程中也没有发生太大的改变。这种 “顽固性 ”表明，这些蛋白应该不会是一无是处的。英国谢菲尔德大学（University of Sheffield in the United Kingdom）的生化学家Patrick Eyers就认为，生物体并不介意保留这些蛋白，这说明它们肯定能够起到非常重要的作用。4 L( e' h" u" P9 e
我们现在已经非常确定，有很多看起来没有活性的酶实际上对生物体是有非常大的帮助的，它们虽然没有起到催化作用，但是科学家们还是发现了它们在其它方面的价值。比如一些假酶可以帮助“真”酶形成正确的构象，更好地发挥催化活性。还有一些假酶可以提供一个平台，帮助蛋白结合。另外一些假酶则能够与受体共同发挥作用，促进细胞交流，或者起到“保镖”的作用，帮助其它蛋白到达作用位点等。“这些假酶一夜之间又变得重要起来了，看来它们的存在的确是有价值的。”美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的蛋白化学家Susan Taylor这样评价道。
2 a* g4 f% Y" }' U& R% Y英国邓迪大学（University of Dundee in the United Kingdom）的生化学家Daan van Aalten将这些假酶编码基因称作“被遗忘的基因”，因为大部分科研人员都忽视了它们。但是分子生物学家们现在也开始重视这些基因的编码产物了，他们主要想通过对这些假酶的研究了解酶的进化历程。药物开发人员也希望可以利用这些假酶设计出更安全、特异性更高的新药。而且因为这些假酶的存在，科学家也开始重新审视传统酶蛋白的工作机制。“如果让我重新开始，我会选择这些假酶作为研究对象。”英国邓迪大学的另外一位生化学家 Dario Alessi这样说道。( i8 M7 m' J+ r% ?
酶的由来3 L4 ?$ Y. |5 Y3 I3 o3 |$ z
要研究假酶，那么首先就要认识它们，不过这可不容易做到。虽然蛋白的氨基酸序列可以提供一些线索，但是我们并不能以此来断定某个蛋白是不是假酶。所以科学家主要都是借助蛋白质的三维立体结构来进行判断，通过结构信息以及其它实验方法来确定该蛋白是否具备和同类酶一样的催化活性。不过即便如此，也不能百分之百地下结论。( ^  o* w0 }2 Y/ I6 Q* Q
不过科学家一致认为有很多蛋白最开始都被看作是有催化活性的酶蛋白，但是后来发现它们其实没有催化活性，不过还具备其它的功能。绝大部分假酶都与真正的酶蛋白非常接近，科学家们对此提出了两种可能的解释。这两种观点都认为假酶的出现是在过去的某个时候，由基因复制造成的。* p& h" G4 i2 t' C% E0 m/ Q
科学家们推测，最初，原始基因及其复制产物都编码同一种酶，可是某一天其中的一个基因因为突变破坏了酶产物的催化活性，所以就形成了假酶。据欧洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute in Hinxton, U.K）的所长，计算生物学家Janet Thornton介绍，酶活性其实很容易丢失，因为催化基序（catalytic residues）太保守了。6 s( T+ u9 ~* g7 i6 }8 Z
Alessi则介绍说，多数情况下，事情也可能是反过来的，所以他认为激酶很有可能是由假酶进化而来的。它们最开始在细胞里主要行使一些非催化的功能，随着基因的复制、突变，使其中一个基因突然具备了催化活性，这样才开始出现了激酶。看起来有一些假酶也的确好像是某些现代酶的祖先，它们的后代都还清晰可辨，因为该家族的其它成员都不是酶。+ n  K- g6 j5 u
有用的假酶* V2 h0 A. F* H+ s# d/ I% P8 Q+ l6 h$ z
细胞里充满了各种各样有用的蛋白，它们为什么还需要这些“没用的”酶来行使重要的细胞功能呢？这些进化自有活性酶的假酶可能是失去了催化功能，但是它们并没有失去其它的功能。比如一个酶如果要发挥催化活性，那么它首先就要与靶标分子，或者底物结合。失去了催化活性的假酶通常都还具备这种功能，所以它们还可以通过与其它蛋白相结合的方式来发挥其它的作用。英国牛津大学（University of Oxford in the United Kingdom）的细胞生物学家Matthew Freeman还提醒说，假酶和它们的活性近亲还有很多其它的相似之处，它们经常在同一时刻出现于同一组织中。“所以假酶也在时刻准备着发挥调控作用，帮助调控各种生化反应。”美国达拉斯德克萨斯大学西南医学中心（University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas）的生化学家Margaret Phillips这样说道。Freeman还介绍说，研究人员一直都认为在很多情况下，假酶的确参与了对有相应活性蛋白参加反应的调控作用。- _9 Z& b+ b; D7 J- q' b3 R
STRADα就向我们展示了假酶是如何依靠自身的蛋白结合活性对其它的酶进行调控的。STRADα能够与LKB1这种抑癌激酶结合，并且对LKB1蛋白的活性进行调节。《科学》（Science）杂志在2009年曾经发表过一篇由Alessi和van Aalten等人撰写的文章，详细地介绍了STRADα的作用机制。在另外一种蛋白MO25α的帮助下，STRADα可以使 LKB1一直处于活化状态，行使激酶功能（详见Science, 18 December 2009, p. 1707）。据van Aalten介绍，他们的这个工作表明，假酶的确可以通过与蛋白结合的方式激活下游的激酶。
- ~* t! s3 m5 e" k# G; @0 T6 DFreeman等人研究的iRhom假酶也是一种调控蛋白，该蛋白主要在两种情况下发挥功能，即抗病原体防御和睡眠，而且这是两种截然不同的情况。“这让我们很为难。”Freeman说道。iRhom的防御功能涉及到TNFα的分泌，TNFα是一种炎症促进因子，在有微生物入侵的时候很多细胞都会分泌这种因子。细胞首先会产生TNFα分子，并且将其转移到胞膜处，然后TACE这种酶会促进TNFα的释放。但是TACE酶首先得从内质网（endoplasmic reticulum）转移到胞膜才能促进TNFα的释放。Freeman的科研团队在去年和另外一个由加拿大多伦多大学（University of Toronto in Canada）的免疫学家Tak Mak率领的课题组一起发现了iRhom2蛋白可以和内质网中的TACE蛋白结合，促进TACE离开内质网（详见Science , 13 January 2012, pp. 225-229）。如果缺少了iRhom2蛋白，TACE蛋白就不能离开内质网，所以会显著降低TNFα的释放量，削弱免疫保护炎症反应的强度。缺失了iRhom2蛋白的小鼠也容易被细菌感染。* R/ H  @2 o* D) C% }- U/ v& @7 u: ^
作恶的假酶
: y  a1 ^( T3 [6 s( P不过病原体也会利用假酶。比如Phillips等人就发现假酶与引起非洲睡眠病（African sleeping）的布氏锥虫（Trypanosoma brucei）关系密切。假酶可以使布氏锥虫两大关键代谢酶的活性提高3000倍。$ d" K  ~1 ^  F" X1 c) D
布氏锥虫作为世界上肆虐范围最广的一种病原体，它也知道利用假酶帮助自己逃避宿主免疫系统的攻击。世界上大约有1/3的人口感染了布氏锥虫，一般情况下这些人不会有明显的症状，但是在布氏锥虫的生活史里，人类并不是唯一的“中转站”。据美国斯坦福大学医学院（Stanford University School of Medicine in California）的分子生物学家John Boothroyd介绍，布氏锥虫可不简单，它既可以感染禽类也可以感染哺乳动物。啮齿类动物也是布氏锥虫的宿主，啮齿类动物主要利用 IRG家族蛋白来对抗布氏锥虫。IRG家族蛋白可以将布氏锥虫包裹起来，将其杀死。可是布氏锥虫会释放出一种ROP18酶，破坏IRG蛋白，保护自己。4 m! z* e' f- k4 Q+ p) t5 a" u7 Q
去年，Boothroyd的课题组和另外两个科研团队发现布氏锥虫编码的假酶ROP5可以和 ROP18一起破坏IRG蛋白。ROP5能够与IRG蛋白结合，并且让IRG蛋白处于一种容易受 ROP18蛋白攻击的构象，最后被ROP18蛋白降解。Boothroyd将ROP5形容成恶霸的小跟班，它负责从背后抱住受害者，方便ROP18蛋白动手。
2 [% e. ^- r! _+ V3 CROP5蛋白还可以通过其它方式帮助 ROP18蛋白“作恶”。美国华盛顿大学医学院（Washington University School of Medicine in St. Louis）的微生物学家L. David Sibley就发现ROP5蛋白可以帮助ROP18蛋白持续处于活化状态，从而降解IRG蛋白。 Boothroyd的合作者，美国斯坦福大学医学院的生化学家Michael Reese认为，布氏锥虫使  t& D7 U- ]! }' j8 v
用假酶来帮助ROP18蛋白一点都不奇怪，因为布氏锥虫体内有很多假酶，在目前已经进行过基因组测序的物种当中，布氏锥虫的基因组编码的假激酶（pseudokinases）是最多的。- i( x6 w) C( t1 ]" e* t
布氏锥虫大约携带了十几个拷贝的ROP5基因，这些基因彼此之间的差异非常小， Sibley认为这可能是布氏锥虫长期与宿主的免疫系统进行斗争造成的结果。你也许会想到，小鼠可能会进化出彼此之间差异不明显的IRG蛋白来对付布氏锥虫，作为回应，布氏锥虫当然也会从ROP蛋白入手来想办法应对，最简单的办法当然就是进行突变，形成新的ROP蛋白。但是如果对ROP18蛋白动手又可能会影响它正常的功能，所以最稳妥，而又管用的办法就是让ROP5蛋白突变。Sibley强调说： “正因为没有可让人担心的催化位点，所以任凭ROP5蛋白怎么变都没问题。”
: V2 L- o0 F4 d5 V# P& l( e3 o) t8 J
大脑里的假酶。上图展示的是脑组织里的布氏锥虫（Toxoplasma ）囊肿，布氏锥虫就是依靠假酶逃避机体的免疫攻击。
3 k" _+ b7 p1 h1 B3 V. i/ ]已知的假酶及其功能: w3 p- M, f0 d+ |& g' Z/ B
( k1 y( ~' s  K) v
假酶假吗？9 b& S+ a! a# m! `- s7 O
我们很难对蛋白的酶活性进行界定，有一些很明显的假酶就让科学家们上过当。比如CASK蛋白，它是一种在神经元细胞中发现的蛋白。最初，美国加利福尼亚州南旧金山市Genentech公司（Genentech in South SanFrancisco, California）生物信息学及计算生物学部门的主任Gerard Manning就认为CASK蛋白是一种没有功能的假激酶。我们知道激酶就是一种可以将磷酸基团从ATP转移到其它蛋白上的蛋白质。由于CASK蛋白里缺少两种被科学家们认为对于磷酸转移作用至关重要的氨基酸，所以他们认为CASK蛋白是一种假酶。
; T5 L/ ~/ A# S0 \( Q& R可是目前就职于美国弗吉尼亚理工大学Carilion研究所（Virginia Polytechnic Institute and State University Carilion Research Institute in Roanoke）的神经科学家Konark Mukherjee及他的研究团队在解析了CASK蛋白的晶体结构之后却认为CASK蛋白可以利用其它氨基酸来行使激酶功能。他们还于2008年在《细胞》（Cell ）杂志上发表文章指出，他们用体外试验和细胞试验都证实，CASK蛋白的确具有催化活性，只不过比较弱而已。不过虽然CASK蛋白表现出了激酶活性，但是现在还不确定这种活性是不是就是CASK蛋白的生理学功能，所以CASK蛋白究竟是不是假酶现在还不能下结论。  Y* ?7 G$ k9 C9 r9 h/ j" b
除了将“真”酶误以为是假酶之外，科学家们也经常将假酶当成真酶。早期的生化试验表明ILK激酶具有酶活性。ILK蛋白是一个潜在的药物作用靶点，因为如果ILK蛋白发生突变，就容易致癌。据美国俄亥俄州Cleveland临床基金会（Cleveland Clinic Foundation in Ohio）的结构生物学家Jun Qin介绍，有一些科研人员甚至就已经默认ILK是一种激酶，开始寻找ILK抑制剂了。
) c* r  T3 e  J0 D# |8 L, O. r* {. Y( E可是当Qin等人得到了一个ILK片段与其激活剂形成的复合物的三维立体结构之后他们才发现，ILK蛋白的ATP结合位点离催化位点非常远，所以ILK根本就不可能具备激酶活性。“我们现在肯定ILK蛋白不是一种激酶。”Qin介绍说，他们将这一研究成果于2009年发表在了《分子细胞》（MolecularCell ）杂志上。后来的研究又进一步确定了ILK的假酶身份，有研究发现，ILK蛋白可以与其它蛋白结合，在细胞的骨架蛋白和膜受体之间起到中继站的作用。
1 l  e# E6 g/ v1 [假酶的实际应用价值7 x8 X, a2 B! I( Q
有很多科学家都认为，既然假酶能够对真正的活性酶进行调控，那么它就应该可以成为药物的作用靶点，尽管目前还不存在这一类药物。Eyers认为，伴随着假激酶的出现，我们可能会开发出一系列不同于传统激酶抑制剂的新药，这可是一块增长非常迅猛的市场，单单在美国的销售额就已经接近了 110亿美元。目前最著名的激酶抑制剂应该非格列卫（Gleevec）莫属，该药在2001年上市，主要用于治疗慢性髄性白血病（chronic myelogenous leukemia）。
5 w, y  y8 @' p2 O+ K5 _" w- b  h不过这类激酶抑制剂也存在一定的缺陷，因为很多激酶的活性位点都差不多，所以抑制某一种激酶的抑制剂很有可能也会对其它的激酶产生影响，从而引发各种副作用。比如格列卫就会导致腹痛（abdominal pain）、恶心（nausea）以及倦怠（fatigue）等副反应。可是，以假酶作为治疗对象就大不一样了，我们可以针对某一种致病激酶的假酶辅助因子进行干扰，这样既可以抑制致病激酶的作用，又不会对其它的激酶造成影响。不过还是有一些人对这个研究方向持怀疑态度，美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的生化学家Mark Lemmon就是其中的一位。开发激酶抑制剂我们已经有非常丰富的经验了，但是开发假酶抑制剂可没那么容易，因为传统的、已经被研究得非常清楚的酶活性位点都不太容易被抑制。Lemmon认为，这些假酶的确很有可能会成为非常重要的药物作用靶点，但是至于如何抑制它们，真的还需要好好想一想。
8 y% T) |$ m7 ?4 \不过Eyers认为，即便假酶现在还没有表现出太大的实用价值，它也有着非常重要的科研价值。Eyers这样说道：“假激酶的出现让我们不得不开始重新思考，我们这才意识到自己对激酶的认识其实还非常的贫乏。”所以目前生化学家们已经开始重新审视一些最基础的科学问题，比如一个酶究竟需要表现出多大的活性我们才会将它们定义为一种酶呢？Freeman也认为，从更宽泛的角度来看，假酶的发现还反映出我们对基因组的认识有多么的不够，他说道：“我现在很想知道到底有多少基因是我们完全不了解的。( H: V6 n8 Q% \; A
原文检索：8 k3 i) `, x7 `
Mitch Leslie. 'Dead' Enzymes Show Signs of Life. Science 5 April 2013; DOI: 10.1126/science.340.6128.25" z3 G; [2 T3 K8 s9 I& L

FYH

如同假基因一样 都有功能