Nature：蛋白酶體如何保持平衡(如何保持生態(tài)平衡？)

Nature：蛋白酶體如何保持平衡

2016年08月21日訊 細(xì)胞中的蛋白酶體（proteasomes）是所有真核生物中負(fù)責(zé)清除細(xì)胞內(nèi)垃圾的除溶酶體以外的水解體系，能夠從堿性、酸性和中性氨基酸的羧基側(cè)水解多種與遍在蛋白連接的蛋白質(zhì)底物。因此蛋白酶體的平衡具有至關(guān)重要的作用。

近期一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種進(jìn)化上保守的維持蛋白酶體平衡的途徑，即利用蛋白激酶 TORC1 調(diào)控細(xì)胞中蛋白酶水平。也就是說在適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生過程中，TORC1蛋白會(huì)受到抑制，從而影響到下游信號(hào)。

我們體內(nèi)的細(xì)胞利用各種各樣的系統(tǒng)來分解及回收受損或是無用的蛋白質(zhì)，將這些垃圾清除掉以維持正常的功能。一種被稱作為泛素（ubiquitins）的多肽在蛋白質(zhì)降解過程中扮演著重要的角色，它像標(biāo)簽一樣貼在需要降解的蛋白質(zhì)上，由此細(xì)胞能夠?qū)⑦@些蛋白質(zhì)識(shí)別為垃圾。

泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解是一個(gè)精細(xì)控制的過程，首先有待降解的蛋白質(zhì)被泛素所標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白質(zhì)酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個(gè)上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解及再循環(huán)利用，這種重要因子的需要一種RACs（伴侶蛋白）的協(xié)助作用，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)顆粒的裝配，在應(yīng)激條件下，還會(huì)使用一種叫作Adc17伴侶蛋白幫助生成更多蛋白酶體。

一直以來，科學(xué)家們都希望能了解應(yīng)激如何引發(fā)Adc17水平上升，為此研究人員進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一種演化保守的信號(hào)通道控制了酵母和哺乳動(dòng)物體內(nèi)的蛋白酶體平衡。他們發(fā)現(xiàn)在做出適應(yīng)性應(yīng)激反應(yīng)時(shí)，TORC1蛋白質(zhì) （哺乳動(dòng)物體內(nèi)的mTOR）會(huì)受到抑制。因此，下游信號(hào)分子：酵母中的Mpk1酶或哺乳動(dòng)物中的Erk5酶不僅確保了RACs供應(yīng)會(huì)增加，還保證了蛋白酶體亞基供應(yīng)增加。

由于蛋白酶體的重要作用，科學(xué)家們也紛紛聚焦于此，近期來自美國萊斯大學(xué)和德克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥中心的研究人員發(fā)現(xiàn)某些侵襲性肺癌細(xì)胞中免疫蛋白酶體（immunoproteasome）這個(gè)蛋白的表達(dá)顯著降低，該蛋白是“給免疫系統(tǒng)的T細(xì)胞發(fā)信號(hào)去攻擊病變細(xì)胞”這個(gè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵因子。研究人員認(rèn)為，也許有可能提高這些蛋白質(zhì)的生產(chǎn)，來推翻細(xì)胞的逃逸機(jī)制。揭開癌細(xì)胞免疫逃逸的“詭計(jì)”

此外，馬普生物物理化學(xué)研究所（MPI）的一個(gè)科學(xué)家小組以1.8埃（？）這一以前所未有的分辨率成功確定了人類蛋白酶體的三維結(jié)構(gòu)--他們精確描繪出了每個(gè)原子在這一垃圾處理設(shè)施中的位置。

研究人員發(fā)現(xiàn)了有關(guān)蛋白酶體活性位點(diǎn)的一個(gè)重要細(xì)節(jié)。這一活性位點(diǎn)使得蛋白酶體能夠降解細(xì)胞的垃圾，它是抑制劑藥物結(jié)合來關(guān)閉蛋白酶體活性的位點(diǎn)。與普遍的看法相反，抑制劑和蛋白酶體活性位點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)形成了一個(gè)7-環(huán)結(jié)構(gòu)，其中包含了一個(gè)額外的亞甲基。研究人員解釋說。這對于抑制劑的療效和化學(xué)機(jī)制具有深遠(yuǎn)的影響。

如何保持生態(tài)平衡？

1.影響生態(tài)平衡的因素影響生態(tài)平衡的因素是十分復(fù)雜的，是各種因素的綜合效應(yīng)。一般將這些因素分為自然因素和人為因素。自然因素主要指自然界發(fā)生的異常變化。人為因素主要指人類對自然資源的不合理開發(fā)利用，以及當(dāng)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展所帶來的環(huán)境問題等。如工業(yè)化的興起，人類過高地追求經(jīng)濟(jì)增長，掠奪式地開發(fā)土地、森林、礦產(chǎn)、水資源、能源等自然資源；同時(shí)，工業(yè)“三廢”中有毒、有害物質(zhì)大量的排放，超出了自然生態(tài)系統(tǒng)固有的自我調(diào)節(jié)、自我修補(bǔ)、自我平衡能力和生長力極限，致使全球性自然生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞。

人類對生態(tài)平衡的破壞主要有以下三種情況：

（1）物種改變造成生態(tài)平衡的破壞人類在改造自然的過程中，往往為了一時(shí)的利益，采取一些短期行為，使生態(tài)系統(tǒng)中某一種物種消失，或盲目向某一地區(qū)引進(jìn)某一生物，結(jié)果造成整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的破壞。例如，澳大利亞本沒有兔子，后來從歐洲引進(jìn)以作肉用并生產(chǎn)皮毛。引進(jìn)后，由于沒有天敵，在短時(shí)間內(nèi)大量繁殖，以致草皮、樹木被啃光，達(dá)到一種“談兔色變”的地步。雖耗大量人力、物力捕殺但收效甚微，最后，引進(jìn)了一種病菌，才控制了這場危機(jī)。我國20世紀(jì)50年代大量捕殺麻雀，造成某些地區(qū)蟲害嚴(yán)重等。在日常生活中，人們亂捕濫殺，收割式地砍伐森林，長此以往，勢必造成某些物種減少甚至滅絕，從而導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的破壞。

（2）環(huán)境因素改變導(dǎo)致生態(tài)平衡的破壞這主要是指環(huán)境中某些成分的變化導(dǎo)致失調(diào)。隨著當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，大量的污染物進(jìn)入環(huán)境。這些有毒有害的物質(zhì)一方面會(huì)毒害甚至毀滅某些種群，導(dǎo)致食物鏈斷裂，破壞系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，使生態(tài)系統(tǒng)的功能減弱以至喪失；另一方面則會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因素。例如，隨著化學(xué)、金屬冶煉等工業(yè)的發(fā)展，排放出大量二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔?、氧化物以及煙塵等有害物質(zhì)，造成大氣、水體的嚴(yán)重污染；制冷劑漏入環(huán)境中引起臭氧層變薄；除草劑、殺蟲劑和化學(xué)肥料的使用，導(dǎo)致了土質(zhì)的惡化等。這些環(huán)境因素的變化，都有可能改變生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者的種類和數(shù)量，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

（3）信息系統(tǒng)的改變引起生態(tài)平衡的破壞信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一。信息通道堵塞，正常信息傳遞受阻，就會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)的改變，破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。生物都有釋放出某種信息的本能，以驅(qū)趕天敵、排斥異種，取得直接或間接的聯(lián)系以繁衍后代等等。例如，某些昆蟲在交配時(shí)，雌性個(gè)體會(huì)產(chǎn)生一種體外激素——性激素，以引誘雄性昆蟲與之交配。如果人類排放到環(huán)境中的某些污染物與這種性激素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使性激素失去了引誘雄性昆蟲的作用，昆蟲的繁殖就會(huì)受到影響，種群數(shù)量會(huì)下降，甚至消失?？傊?，只要污染物質(zhì)破壞了生態(tài)系統(tǒng)中的信息系統(tǒng)，就會(huì)有因功能而引起結(jié)構(gòu)改變的效應(yīng)產(chǎn)生，從而破壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整個(gè)生態(tài)的平衡。

當(dāng)今全球性自然生態(tài)平衡的破壞，主要表現(xiàn)為森林面積大幅度減少，草原退化，土地沙漠化、鹽堿化，水土流失嚴(yán)重，動(dòng)植物資源銳減等。

2.研究生態(tài)平衡需要注意的問題（1）生態(tài)平衡是動(dòng)態(tài)的平衡生態(tài)系統(tǒng)中的生物與生物、生物與環(huán)境以及環(huán)境各要素之間不可能存在絕對平衡。就系統(tǒng)中的生物成分而言，不僅植物——?jiǎng)游铩⑸镏g存在著相互制約的關(guān)系，使它們在數(shù)量上，甚至在種類之間增增減減，在植物、動(dòng)物和微生物各自的群落乃至種群內(nèi)部亦有競爭、排斥、共生、互助等相生相克的關(guān)系不斷發(fā)生。生物通過能流、物流和信息流不斷調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，使生態(tài)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡之中。

（2）生態(tài)平衡是相對的，是發(fā)展、變化著的由于生態(tài)系統(tǒng)自身的不斷發(fā)展，以及外部條件的變化，原有的平衡總是要被打破。當(dāng)舊的生態(tài)系統(tǒng)平衡被破壞以后，在新的條件下，將建立起新的生態(tài)系統(tǒng)平衡。在這方面，生物進(jìn)化的幾個(gè)階段給我們提供了很好的例證。生物的進(jìn)化就是不斷地從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)飛躍到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程。

生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)，它的有序性主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)的平衡上。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外各種因素的變化，特別是一些重要因素的變化，包括自然的和人為的，必然使系統(tǒng)的有序性發(fā)生改變，從有序狀態(tài)到無序狀態(tài)。在新的條件下，生物與生物、生物與環(huán)境通過自身組織或人工調(diào)節(jié)，使無序狀態(tài)又重新恢復(fù)到有序狀態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)就是從有序——無序——有序，從低層次有序發(fā)展到高層次有序。因此，生態(tài)平衡不是最后的平衡，是由低級到高級，由簡單到復(fù)雜。人類正是利用這一點(diǎn)，不斷建立更符合人類需要的各種人工、半人工生態(tài)系統(tǒng)。

（3）生態(tài)系統(tǒng)的平衡不是保持原始狀態(tài)從人類的需求和社會(huì)的發(fā)展來看，保持原始狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)是沒有必要的。原始狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)所生產(chǎn)的物質(zhì)，無論是種類還是數(shù)量都不能滿足現(xiàn)今人類社會(huì)的需要。只有遵循生態(tài)規(guī)律，按照人類的需求，對自然進(jìn)行利用與改造，使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理，功能更高效，才能實(shí)現(xiàn)最佳的生態(tài)效益。這是我們所期望的，也是能夠達(dá)到的。例如，荒山變果園、植樹造林、改良土壤等為人類提供了豐富的物質(zhì)財(cái)富來源。

3.人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展自然環(huán)境是生態(tài)存在和發(fā)展的前提條件。生物體通過與周圍環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，來維持自身的生長、發(fā)育和繁衍。因此，保護(hù)自然、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡，保持人類與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展，便成為當(dāng)今人類面臨的重要任務(wù)之一。

因?yàn)?，人類只能以極少數(shù)的農(nóng)作物和動(dòng)物為食物來源，所以以人類為中心的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。簡單的食物網(wǎng)絡(luò)極不穩(wěn)定，容易發(fā)生大幅度波動(dòng)。而人類又一味地向大自然超量索取，勢必將進(jìn)一步加劇自身賴以生存的生物圈的破壞。由此可知，遏制人類對自然資源的無限需求欲望，保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，實(shí)際上是保全人類自身。人類也只有在保持生態(tài)平衡的前提下，才能求得生存和發(fā)展。人類的一切活動(dòng)都必須遵循自然規(guī)律，按照生態(tài)規(guī)律辦事。

（1）合理開發(fā)和利用自然資源，保持生態(tài)平衡開發(fā)自然資源必須以保持生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡為前提。只要重視生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能相互協(xié)調(diào)的原則，就可以保持系統(tǒng)的生態(tài)平衡，同時(shí)又可以開發(fā)自然或改造環(huán)境。只有生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能相互協(xié)調(diào)，才能使自然生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)外界的變化、不斷發(fā)展，也才能真正實(shí)現(xiàn)因地制宜，發(fā)揮當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的潛力。只有重視結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)，才能避免因結(jié)構(gòu)或功能的過度損害而導(dǎo)致環(huán)境退化的連鎖反應(yīng)。

在利用生物資源時(shí)，必須注意保持其一定的數(shù)量和一定的年齡及性別比例。這應(yīng)該成為森林采伐、草原放牧、漁業(yè)捕撈等生產(chǎn)活動(dòng)中必須遵循的一條生態(tài)原則，以保證生物資源不斷增殖恢復(fù)。否則，就會(huì)不可避免地出現(xiàn)資源枯竭，使生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。

（2）改造自然、興建大型工程項(xiàng)目，必須考慮生態(tài)效益改造自然環(huán)境，興建大型工程項(xiàng)目，必須從全局出發(fā)，既要考慮眼前利益，又須顧及長遠(yuǎn)影響；既要考慮經(jīng)濟(jì)效益，又要考慮生態(tài)平衡。生態(tài)平衡的破壞后果往往是全局性的、長期的、難以消除的。例如，興修水利既要考慮水資源的利用，又要考慮由此引起的生態(tài)因素的變化。否則，一旦造成生態(tài)環(huán)境的惡化，后果將不堪設(shè)想。

埃及20世紀(jì)70年代初竣工的阿斯旺大壩就是例證。該壩的建成在電力、灌溉、防澇等方面帶來了有益的一面，然而卻因破壞了尼羅河流域的生態(tài)平衡，引起了一系列未曾料想的嚴(yán)重后果。尼羅河發(fā)源于埃塞俄比亞，流經(jīng)蘇丹和埃及而入地中海，在埃及入?？谛纬煞饰值娜侵?。千百年來，河水的定期泛濫，給三角洲帶來了土壤養(yǎng)分，沖洗了鹽分，又給地中海帶去了營養(yǎng)成分，著名的沙丁魚即產(chǎn)于此地。大壩建成之后，河水不再泛濫，土地缺少肥源，鹽漬化威脅日益加重。同時(shí)地中海也因缺少養(yǎng)分來源，浮游生物減少，魚類生產(chǎn)受到損失，沙丁魚的產(chǎn)量由未建壩時(shí)即1965年的15000噸降到1968年的500噸。水庫完工后的1971年幾乎不產(chǎn)沙丁魚了。此外，水庫的修建改變了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件，使得血吸蟲病和瘧疾患者都增多了。

阿斯旺大壩雖然有利于埃及的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但也使埃及付出了沉重的代價(jià)。我國也有類似的情況，如葛洲壩的建立，忽略了魚、蟹等的回游生殖規(guī)律，后來經(jīng)一些生態(tài)學(xué)家建議，采取人工投放魚苗并輔以相應(yīng)的其他措施，才保證了長江流域的漁業(yè)生產(chǎn)。因此，對于重大工程必須審慎從事，事前應(yīng)充分論證，像三峽工程一樣充分考慮到可能發(fā)生的生態(tài)平衡破壞的后果，并盡可能制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

（3）大力開展綜合利用，實(shí)現(xiàn)自然生態(tài)平衡在自然生態(tài)系統(tǒng)中，輸入系統(tǒng)的物質(zhì)可以通過物質(zhì)循環(huán)反復(fù)利用。在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中運(yùn)用這個(gè)規(guī)律，可以綜合開發(fā)利用自然資源，將生產(chǎn)過程中排出的“三廢”物質(zhì)資源化、能源化和無害化，減少對環(huán)境的沖擊?？傊祟愒诟脑熳匀坏幕顒?dòng)中，只要尊重自然，愛護(hù)自然，按自然規(guī)律辦事，就一定能夠保持或恢復(fù)生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。

蛋白酶體的進(jìn)化

大腸桿菌中的HslV（藍(lán)色）和HslU復(fù)合物（紅色）。這一由熱休克蛋白組成的復(fù)合物被認(rèn)為類似于現(xiàn)在蛋白酶體的祖先。
20S蛋白酶體在真核生物中廣泛存在且必不可少。一些原核生物，包括許多古菌和細(xì)菌中的放線菌也含有20S蛋白酶體的同源體，即大多數(shù)細(xì)菌都含有的熱休克基因hslV和hslU，這兩個(gè)基因所編碼的蛋白質(zhì)可以形成雙層環(huán)狀多聚體和ATP酶。 一些研究者認(rèn)為HslV蛋白很可能類似于20S蛋白酶體的祖先。 一般來說，HslV蛋白對于細(xì)菌不是必要的，且并非所有的細(xì)菌都含有這一蛋白，而原生生物同時(shí)含有20S蛋白酶體和HslV蛋白系統(tǒng)。
序列分析顯示，催化性的β亞基在進(jìn)化過程中分化得比結(jié)構(gòu)性的α亞基要早。表達(dá)20S蛋白酶體的細(xì)菌中，其β亞基與古菌以及真核生物的β亞基具有高度的序列相似性，而α亞基的序列相似程度則低得多。細(xì)菌中存在20S蛋白酶體可能是基因水平轉(zhuǎn)移的結(jié)果，而真核生物中各亞基的分化則應(yīng)是多次基因重復(fù)的結(jié)果。

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