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蛋白質做壞了怎麼辦? 發現 CRL2 蛋白質品管機制

PanSci_96
・2018/06/15 ・1378字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 635 ・十年級
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  • 首圖說明:CRL2 參與的蛋白質降解機制與其辨認的特定短胜肽特徵。

人類的許多疾病諸如老化、退化性神經疾病及癌症等,都和蛋白質的缺陷有關。為了除去缺陷蛋白,細胞會透過品管降解機制(分解成小片段)「去蕪存菁」。

中央研究院分子生物研究所顏雪琪副研究員研究團隊,日前新發現一個由蛋白質管理蛋白質品質的機制:CRL2 蛋白質能辨識出缺陷蛋白的尾端特徵,進而將其標記、清除。此品管機制的發現為蛋白質降解調控之研究豎起一座里程碑,為蛋白質生物工程應用注入了新的思維,並有助發展蛋白質品管缺陷疾病醫療策略。本研究成果於今年(2018) 5 月發表於國際期刊《分子細胞》(Molecular Cell)。

蛋白質為細胞執行生理功能的重要元件,人體細胞中有上萬種的蛋白質,這些蛋白質可能因製程瑕疵或環境刺激產生缺陷,而有缺陷的蛋白質可能影響其他正常蛋白質的運作,進而危害細胞,甚至整個生物體。

缺陷蛋白質堆積導致腦部病變。圖為健康細胞與病變細胞之對照。 圖/中研院分生所提供

「蛋白質品管」找到並降解有問題的蛋白質

「蛋白質品管降解」機制即:具品管功能的蛋白質將缺陷蛋白降解成無害的胜肽或胺基酸,進而維持細胞健康。然而,人體中卻只有少數蛋白質具有品管功能。這些具品管功能的蛋白質是如何在難以計數的缺陷樣態中,精準地辨認出特徵、揪出有缺陷蛋白,是本次研究團隊特別關注的議題。

CRL2參與的蛋白質降解機制與其辨認的特定短胜肽特徵。 圖/原始論文

顏雪琪副研究員於 2008 年建立「全蛋白質穩定度監測系統」(Global Protein Stability, GPS),可同時偵測細胞中上萬個蛋白質的穩定度。透過此項技術,研究團隊在 2015 年就於在硒蛋白的研究中發現,蛋白質 CRL2 具有蛋白質品管的功能。本次研究團隊沿用此項技術,進一步掌握了  CRL2 的品管機制。

蛋白質 CRL2 如何找到有缺陷的蛋白質?

研究發現,CRL2 可透過多種受器的轉換,快速且準確地辨識缺陷蛋白尾端的特定短胜肽,進而將該蛋白質標記、清除。這些特定短胜肽約由 6 到 10 個胺基酸組成(如附圖),而不同序列的短胜肽也引導不同降解速度。此研究成果將調控蛋白質降解速率的準確度大大提高,可望為蛋白質生物工程的應用帶來新的契機。

除了針對缺陷蛋白,研究團隊也發現蛋白質 CRL2 的品管機制對正常但帶有尾端降解訊號蛋白也適用,由此可知,任何缺陷蛋白質只要接上這些短胜肽,就會被 CRL2 快速且準確地辨識、標記,進而被降解清除。目前,研究團隊已著手檢驗此降解機制的其他生理功能及對蛋白質的整體影響。

顏雪琪副研究員研究團隊。 圖/中央研究院分生所提供
  • 此論文第一作者為國立臺灣大學生命科學院基因體與系統生物學學位學程博士生林秀娟。本研究由中研院前瞻計畫與科技部專題計畫經費支持進行。原始論文請見此〈C-Terminal End-Directed Protein Elimination by CRL2 Ubiquitin Ligases〉。
  • 本文編修自中央研究院分子生物研究所新聞稿,原文為〈自己的品質自己管!發現蛋白質品管機制 可望對生物工程的應用帶來新的契機〉。

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天然ㄟ尚好!科學家用牛奶酪蛋白製造可以吃的食品包裝
valerie hung
・2016/08/26 ・1228字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 513 ・六年級
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  • 首圖來源 American Chemical Society

影片製作團隊「台客劇場 TKstory」曾以「現代人生活一週會累積多少垃圾」為主題拍攝影片,發現上超商外食,要買到沒塑膠包裝的食物還真難。

在便利超市或大型量販店,幾乎大半的食物都因為衛生、保鮮等理由被包在塑膠或保鮮膜中,等著被消費者帶回家當垃圾,這些塑膠不易回收又難以生物分解,在某些情況下還可能為你的食物「加料」,且保鮮效果還沒想像中的好。

此外,塑膠包裝提煉自石油,意思是原料終有用完的一天,而產物卻會遺留數千年以上

為了提出更好的食物包裝解決方案,許多科學家都投入大量的心力,如美國塔夫茨大學想用蠶絲蛋白保持蔬果新鮮,而現在全球最大的科學學會美國化學學會(ACS),在 2016 年八月的 252 屆年會上,公布了他們以牛奶酪蛋白(milk protein casein)製作食品包膜的研究

圖片來源:American Chemical Society
圖片來源:American Chemical Society

起士片或巧克力棒等食品為了避免潮濕而互相沾黏,廠商會將每一小份都獨立包裝,因此消耗了大量的塑膠包裝。想想如果以後喝即溶飲料,不再是撕開一角、倒出粉末、剩下全部扔掉,而是直接把產品放入杯中完全融化,那會省下多少資源?

研究領導人托馬蘇拿(Peggy Tomasula)指出:「這種以蛋白為基底的膜能有效阻隔氧氣,防止食物變質。它們作為包裝材質使用,能在配送過程減少食物的浪費。」

托馬蘇拿和美國農業部的同事所研發出的牛奶酪蛋白食品包裝膜,不但在防止食物變質的表現比傳統塑膠包裝優異上五百倍,且因為是從牛奶中提煉,因此永續、可生物分解還可以食用。即使和市面上以澱粉製作的可食用包裝相比,牛奶酪蛋白食品包裝膜的孔洞較小,阻擋氧氣的性能較佳。

圖片來源:American Chemical Society
圖片來源:American Chemical Society

研究團隊一開始想用純牛奶酪蛋白來製作食品包裝膜,但因為太容易被水溶解,於是加入了柑橘果膠,有效提升包裝膜的強韌度及耐濕與耐高溫。最終的成品就和一般店內販售的塑膠袋沒兩樣,只是比較不具彈性。

這種幾乎完全以蛋白質製作的包裝本身沒有什麼味道,但畢竟是期盼大家直接吃下肚,研究員指出未來也是可以根據需求,另外添加營養劑、益生菌或是香料。

除了當作塑膠包裝,這些酪蛋白也可噴撒在喜瑞兒或穀物棒上,達到防潮、保持酥脆口感的功效,或是應用在與食品密切接觸、容易沾黏染色的紙張或紙盒上,可謂用途廣泛。(美國食品及藥物管理局今年初剛禁止三種全氟化物(PFCs)用在披薩盒等食品包裝材料上)

研究的共同領導人 Laetitia Bonnaillie 博士指出,他們已經在為德州的某間小公司製作樣品,也吸引不少廠商的興趣,順利的話,未來三年我們就有機會在貨架上看到這種可食用包裝了!

 

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蛋蛋的哀傷 恐龍滅絕的原因之一是蛋孵太久?
江松樺
・2017/01/11 ・1218字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級
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  • 在蛋中發育的恐龍每一天就會生成一層新的牙本質,在顯微鏡下觀測牙本質生成的狀態,就能夠約略地推估恐龍胚胎在蛋中發育所需的時程。圖/Mick Ellison

文 / Fafnir 恐龍愛好者,粉絲團《遠古巨獸與他們的傳奇》作者。致力於將最新的脊椎古生物學與化石生物學新知帶進華文世界,藉此讓大家認識這些遠古巨獸最真實的面貌。

正如同神奇的寶可夢,目前已知的恐龍都是卵生動物。有些寶可夢需要走 10 公里才會孵化、有些僅僅只要 2 公里就能孵出來了,那恐龍寶寶們需要花多少時間才能破蛋而出呢?

一項由佛羅里達州立大學(Florida State University)與卡加利大學(University of Calgary)的研究指出,相較於現生的鳥類,非鳥類恐龍孵化所需要的時間要遠比人們以往預期的還要更久。專門研究美洲短吻鱷與恐龍個體發生的專家艾瑞克森(Gregory Erickson)透過過往學生時代研究霸王龍(Tyrannosaurus)牙齒發育的經驗,希望能在恐龍的胚胎中找到相同的發育模式,於是研究了安氏原角龍(Protoceratops andrewsi)和史氏亞冠龍(Hypacrosaurus stebingeri)保有牙齒的胚胎化石,並將研究發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)上。

恐龍蛋可能要 3~6 個月才能孵化

艾瑞克森表示,牙齒發展的過程其實就像是樹木的年輪一樣,這些仍在蛋中發育的恐龍每一天就會生成一層新的牙本質,在顯微鏡下觀測牙本質生成的狀態,就能夠約略地推估恐龍胚胎在蛋中發育所需的時程。根據研究團隊得出的資料顯示,這些恐龍寶寶要能從蛋中孵化大概需要經歷三到六個月左右的時間;比起鳥類所需的 11 至 85 天,顯然要長得多。

較長的孵化過程相對的要承受較高的風險,毫無防備的恐龍蛋可說是掠食者絕佳的點心,此外還很容易受到洪水等各種外在災害的威脅。其次,對於那些會撫育子代的恐龍來說,守護尚未孵化的子代也需要付出較大的機會成本,甚至可能在這個過程中挨餓或暴露在其他掠食者的視線之中。

而這項不利的條件更可能是導致非鳥類恐龍在 6500 萬年前的大滅絕中消失的原因之一,作為需要消耗大量能量的大型恆溫動物,較長的孵化時間更是拉長了世代間交替的斷層。在那個沒有孵蛋器的年代裡,這將使得非鳥類恐龍更難與其他倖存的動物們在不斷變動的環境中競爭。

今天的鳥類,為什麼可以這麼快孵化出來?

未參與研究的古生物學家布魯賽特(Stephen Brusatte)認為,這項研究的發現顯示現代鳥類快速孵化的特色很可能較晚才出現。此外本研究中的原角龍與亞冠龍皆屬於距離鳥類親源較遠的鳥臀目(Ornithischia),所以我們仍未能得知在那些與鳥類較親近的獸腳類(Theropoda)恐龍是否也擁有較長的孵化期。現今鳥類得以在大滅絕中存活,或許正是因為能夠較快孵化這樣的生物特性,讓他們得以逃過一劫並存活至今。

本文轉載自「遠古巨獸與他們的傳奇」臉書粉絲頁

原始論文:

  • Dinosaur incubation periods directly determined from growth-line counts in embryonic teeth show reptilian-grade development,Edited by Neil H. Shubin, University of Chicago, Chicago, IL, and approved December 1, 2016 (received for review August 17, 2016)

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江松樺
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恐龍愛好者,粉絲團《遠古巨獸與他們的傳奇》作者。致力於將最新的脊椎古生物學與化石生物學新知帶進華文世界,藉此讓大家認識這些遠古巨獸最真實的面貌。

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這麼挑食,可是會活不下去的唷
陳俊堯
・2015/10/22 ・590字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 437 ・四年級
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照片來源: Feeding brown-throated three-toed sloth (Bradypus variegatus), Cahuita National Park, Costa Rica. Christian Mehlführer.

樹懶的超緩慢動作吸引了很多迷弟迷妹的注意。動作緩慢的理由是牠們是草食動物,以樹葉嫩芽為主要食物來源。由於吃下肚的東西大部份是消化不了的纖維素,只好調降自己的代謝及動作,才能充份運用不太夠的養份活下去。不過,想要活下去,樹懶得靠腸子裡的細菌多幫忙,把纖維素轉換成可以用的養份才行。

這群研究人員採集並分析了樹懶腸子裡有什麼細菌。草食性哺乳動物像是牛羊早就有人研究過了,牠們的腸子裡有很多 Bacteroidetes 和 Fimicutes 門的細菌。而 Bacteroidetes 門裡菌種的專長就是分解植物的纖維素。不過,研究人員很驚訝的發現這些樹懶腸子裡住的細菌幫手是 Proteobacteria 和 Firmicutes,跟其它草食性哺乳類大不相同。

專吃 Cecropia 樹葉的三趾樹懶腸子裡菌種少,而且出現大量 Neisseria 屬的菌種,似乎能利用植物纖維素產生大量乳酸。這一屬細菌有能造成淋病和腦膜炎的病原菌,沒想到也有在腸道裡討生活的菌種。而吃東西比較不挑的二趾樹懶,腸子裡的菌種比較多,也就有各種從纖維素發酵後產生的脂肪酸。三趾樹懶原本就挑食,現在發現又有很特別的腸道菌,萬一氣候變遷下食物來源出了問題,到時候想要換吃別的食物保命,可能會很大的困難。

本文轉載自慈大生科 Sci Cafe

 

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。