细菌侵袭，蛋白转运机制揭秘
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为何人和动物在感染细菌后会生病？这背后隐藏着生物学的奥秘。细菌作为单细胞微生物，每个细胞即代表一个细菌。为了在宿主体内生存、繁殖和扩散，一些致病菌会在其细胞内核糖体中制造并蛋白类毒力因子。即使是非致病菌，也会为了适应环境蛋白质。
那么，这些细菌内部的蛋白质是如何实现“跨膜”的呢？学者们一直在探索这个问题的答案。近期，北京大学生命科学学院的研究团队成功捕捉了型蛋白“跨膜”的瞬间，解析了蛋白转运的分子机制，并将这一研究成果发表在《自然·通讯》杂志上。
信号肽引导，蛋白“扫码上路”
蛋白转运是一个高度调控的过程，必须有一种机制确保细胞能特异性地将需要的蛋白质运出。李龙研究员在接受采访时表示，细胞内可能存在一种物质，能够识别待的蛋白，避免误将不需要的蛋白运出细胞。
早在上世纪70年代，学者们就推测了这种物质的存在。1972年的研究发现了免疫球蛋白前体与成熟体之间的氨基酸差异。而德国学者布洛贝尔等人于1975年提出的信号肽假说，将这多余的20个氨基酸称为信号肽。如果蛋白序列上含有信号肽，就相当于给该蛋白打上了“待转运”的标记。随后，蛋白通过细胞膜上的特殊通道被到细胞外。
那么，运送蛋白的“车辆”是什么呢？研究表明，这可以是细菌中的一种ATP水解酶或称为SecA的蛋白质，因其载着蛋白运动，被视为“马达蛋白”。信号肽与蛋白有一一对应的关系，而马达蛋白则不那么挑剔，只要有标记的蛋白都能成为其“乘客”。
细胞膜上的通道蛋白SecY负责扫描被马达蛋白运送过来的蛋白。当识别成功后，它会开启特殊通道放行蛋白，然后关闭通道，恢复细胞膜的磷脂双分子层结构。
虽然我们已经了解了蛋白转运的大致过程，但更深层次的疑惑仍待探索。比如，为什么马达蛋白能非特异性地识别信号肽？发现的信号肽为何都具有疏水结构？
三因素协同作用 揭示转运规律
李龙和高宁团队利用先进的电子冷冻显微镜技术捕捉到了蛋白质“跨膜”的瞬间，解答了非特异性结合的疑问。由于蛋白质转运过程十分迅速，此前学界难以捕捉到这一瞬间。此次，研究团队通过特殊手段将转运过程定格在“跨膜”阶段，并用电镜拍摄照片永久记录下来。
研究发现，马达蛋白能与蛋白的主链通过氢键结合，形成片层结构。而蛋白质的种类是由其侧链上的氨基酸序列决定的，不同蛋白的主链序列是相同的。这解释了马达蛋白为何能“来者不拒”。
关于信号肽的疏水结构，李龙团队早前在《自然》杂志上发表的文章中已进行过探讨。细胞膜的磷脂双分子层具有疏水结构，其中的通道蛋白SecY能识别同样具有疏水结构的信号肽，并将其固定在细胞膜上。随后，信号肽酶将信号肽和蛋白切割，使蛋白跨膜而出。信号肽随后被降解为基本物质氨基酸，参与下一次细胞活动。