癌癥“魅影”：尋找無序中的有序

　　無序蛋白指得是一部分沒有穩定三維結構的蛋白質。因為沒有絕對穩定的狀態，經常參與調控細胞各成分的相互作用，如DNA的轉錄等。然而，它們的錯誤表達也可能造成細胞的變化，引起癌癥等嚴重的疾病。

　　日前，美國麻省理工學院化學系博士后林星程等人在《生物分子》期刊上發表了一篇論文，研究人員運用分子動力學模型研究PAGE4無序蛋白，證實了無序蛋白中也存在有序特征，并發現了這些有序特征影響無序蛋白功能表達的機制。

　　游走于癌細胞之間的“幽靈”

　　前列腺相關基因4型蛋白（PAGE4），是一種典型的無序蛋白，它的錯誤表達被發現與前列腺癌的產生相關。

　　由于前列腺癌細胞的生長通常需要雄激素，因此在前列腺癌化療過程中，通常采用雄激素剝奪療法來抑制癌細胞生長。但臨床實驗發現，這種療法并不總是有效的，癌細胞總是表現出抗藥性。科學家想知道，這會不會與PAGE4有關？

　　要解決這個問題，有兩種主流的研究方法，第一種是結構生物學，聚焦蛋白質等生物大分子的微觀層面，研究飛秒-秒級的生物物理、生物化學機理；另一種叫做系統生物學，從宏觀層面研究以天為單位的細胞、蛋白質之間的相互作用過程。

　　然而，兩種方法很難結合。現有的結構生物學模擬受模型和算力制約，無法做到系統生物學所在的宏觀尺度。如果這個問題不解決，結構生物學研究出的很多微觀細節就無法與系統生物學實驗做出的宏觀結果聯系起來，奮戰在癌癥治療領域的兩組科學家只能各自為戰。

　　此前，系統生物學家已經發現，PAGE4雖然是無序蛋白，但是也有一些細微的有序結構。文章作者之一、美國馬里蘭大學化學與生物化學系教授John Orban發現，PAGE4主要有三種二級結構，即不規則卷曲、轉角和螺旋結構。

　　“我們發現，雖然沒有獨特的三維結構，但是這些無序蛋白中的‘構型噪音’也能夠影響細胞行為，特別是前列腺癌細胞種群對于特定療法的反應。”文章另一作者、印度科學理工學院生物系統科學與工程中心助理教授Mohit Kumar Jolly則告訴《中國科學報》記者，“雖然癌癥被認為是基因疾病，但我們的系統生物學模型說明即便沒有基因原因，這種細胞中信號分子的變化也會導致對特定療法的抗藥性。”

　　但是，PAGE4的二級結構有什么作用？它們又是怎樣變化并最終影響腫瘤蛋白抗藥性功能的表達的呢？

　　蛋白質數值模擬這盤“大棋”

　　林星程對《中國科學報》記者說，要解決這個問題，需要在結構生物學層面，運用分子動力學數值建模來研究PAGE4蛋白不同位置的關聯運動是如何長距離相互作用的。他所采用的模型叫做聯想記憶水調解結構能量模型（AWSEM）。

　　此前用來調節模型參數的力場數據都來自有序蛋白質，當應用到無序蛋白質時，由于無序蛋白質構象太多，一般的全原子模擬方法無法在有效時間內得到有用的信息。

　　這就好比一個象棋大師在下盲棋時，如果棋面上是一些經典的棋局定式，他就能很容易的記住棋形變化，而如果棋面完全是人為隨機亂擺出來的，他就很難記住棋形了。

　　為了解決這個問題，林星程需要應用粗粒化算法，即將模型的精細化程度調粗，簡少計算量。與此前的模型相比，林星程所使用的AWSEM模型運用了深度學習中神經網絡的思想進行優化。

　　憑借對生物物理的理解調整模型參數，林星程可以很好地解決了蛋白質模擬中的“坍縮”問題，也就是模擬出的蛋白質結果擠成一堆，與實驗得出的蛋白質尺寸差距很大的問題。

　　并且，該模型不僅能成功復制已有的實驗結果，還正確地預測了磷酸化的PAGE4的實驗結果。基于這個正確的結果，林星程等人將兩個層面的生物學研究聯系在一起，探索出PAGE4蛋白有序態變化背后的機制。

　　操縱腫瘤蛋白的“魅影”

　　原來，有兩種酶（HIPK1和CLK2）能夠通過調控蛋白質磷酸化程度，來改變PAGE4中心區轉角型二級結構的數量，使其展現不同的形態和有序態，從而影響該蛋白功能的表達。

　　研究人員發現，在沒有酶介入或有HIPK1酶參與的情況下， 這種蛋白都是有序的，它會形成一個環，像一條盤起來的蛇，死死地抓住“獵物”，以便能更容易地找到轉錄結合因子，減少雄激素受體活性，降低癌細胞的抗藥性。

　　而如果有CLK2酶參與，則上述的環狀結構會減少，無序程度會增加，此時的PAGE4就像一條攤開的蛇，難有機會發揮轉錄結合因子壓制癌細胞抗藥性的作用了。

　　林星程認為，這項發現有望對癌癥化療方法的改進提供新的思路。

　　對前列腺化療的改進

　　“在兩種酶調控不同PAGE4類型的過程中，有一種負反饋機制。”林星程說。HIPK1酶增多時，有序蛋白增多，雄激素受體會減少，此時本來受到雄激素受體壓制的CLK2酶也增多起來，使更多的蛋白變為無序。通常，這種“風水輪流轉”的周期在一周左右。

　　研究人員發現，在使用了雄激素剝奪療法后，PAGE4蛋白類型向具有抗藥性的無序類型高度集中。雖然此時的癌細胞不能再依靠同樣的治療殺死，但均一化的癌細胞更加脆弱，容易結合其它療法來進一步消滅。

　　《生物分子》期刊副主編Prakash Kulkarni對《中國科學報》記者說：“在這項工作中，林星程博士和他的同事超越了傳統的認知，一些人的水平堪稱領先，他們揭示了無序蛋白中的細微結構和有別于折疊蛋白的動態有序，及其是怎樣在大尺度運動中干預細胞中不同部分的交互，并導致前列腺癌相關功能的表達的。”

　　Kulkarni評價道，“此項工作對此前不甚了解、但對人體健康和疾病發揮了關鍵作用的（無序）蛋白的行為提供了前所未有的洞見，對認識癌癥有深遠的影響。”