蛋白质不像它们的“明星表亲”DNA 和 RNA 那样受到很多关注。DNA 沉浸在细胞核深处，是基因的源头，是生命的蓝图。DNA 生成 RNA，RNA 是勇敢的遗传信使，它冒着细胞内的风险，将 DNA 的指令传递给外围的工厂，将蓝图转化为建筑材料——也就是蛋白质。蛋白质负责所有的工作：组装、修饰和维护细胞。诚然，没有这些“蓝领工人”的努力，生命将不复存在，但蛋白质似乎缺乏那些让它们的遗传同类成为英雄的光彩。
但现在，蛋白质终于迎来了属于它们的时代。麻省理工学院怀特海德生物医学研究所和霍华德·休斯医学研究所的 Peter S. Kim 说：“蛋白质是惊人而微妙的。它们是精密的机器。我试图理解它们是如何完成那些奇妙的事情的。”
Kim 并非孤身一人。他的蛋白质生物学领域正以前所未有的蓬勃发展。Kim 本人——年仅 37 岁，是他所在领域最炙手可热的年轻明星之一——不仅做出了阐明蛋白质基本性质及其与疾病关系的发现，还识别出一种有趣的蛋白质机制，这可能解释了流感和 HIV 等病毒是如何侵入我们细胞的。通过这样做，Kim 可能为阻止这些病毒的传播提供了关键。秘密在于蛋白质折叠时形成的形状。
蛋白质折叠是自然界的一大奇迹。当蛋白质从细胞的组装线上“下线”时，它们只不过是氨基酸的长链。氨基酸有 20 种，而蛋白质通常包含 100 到 10,000 个氨基酸。这些氨基酸就像一种字母表，拼写出蛋白质的形态和功能。正如英语字母表中的 26 个字母可以组合拼写出数不清的单词一样，20 种氨基酸可以组合形成地球上各种生物数千万种蛋白质。仅人类身体就含有大约 50,000 种蛋白质；它们负责的结构包括肌肉、皮肤、头发、软骨、抗体、酶和激素等等。
然而，作为新诞生的“一维链”，蛋白质是无用的。为了形成它们千变万化的形态并履行其关键职责，它们必须弯曲和扭曲成复杂的“三维形状”，并由化学键固定。想象一下你手里攥着一团毛线。那团纠结的团块就像一个折叠的蛋白质。有些蛋白质会卷曲成环或螺旋，有些会弯曲成发夹形或压成类似手风琴的折叠片；任何一种蛋白质都可能包含几种这样的形状，以独特且特定的方式排列。形状决定功能。例如，消化酶折叠出的凹凸不平的区域会捕获淀粉分子，然后将它们放置在分解它们的化学物质附近，将它们分解成糖。同样，细菌和病毒会紧密地贴合在抗体的折叠区域，将它们牢牢抓住，同时召唤其他免疫系统防御者的帮助。
在过去的七年里，Kim 一直专注于研究其中一种称为“线圈线圈”（coiled coil）的形状。想象一下两个蛋白质并排，都折叠成螺旋状，就像缠绕的电话线。如果这两个螺旋像麻花一样缠绕在一起，形成一根坚韧的线圈状缆绳，那就是线圈线圈。线圈线圈稳定而坚固，通常出现在结构蛋白中——如肌肉、皮肤、头发和各种纤维——以及某些病毒的表面。诺贝尔奖得主 Linus Pauling 和 Francis Crick 早在 1953 年就独立预测了线圈线圈的存在。（Kim 指出，同年晚些时候，Crick 和 James Watson 预测了 DNA 的螺旋结构，这在某种程度上掩盖了这一发现。）
1988 年，Kim 开始在一个看似不太可能的地方寻找线圈线圈：一种用于开启和关闭基因以调节其他蛋白质产生的蛋白质。他说，直到那时，线圈线圈主要出现在结构蛋白中。“如果这种调节蛋白碰巧含有线圈线圈，那将很有趣。”
这种蛋白质通过合作执行其基因调节任务——两个蛋白质连接在一起，作为一个整体发挥作用。通过联合力量，这对搭档会像摔跤手使用剪刀式锁喉一样，将 DNA 挤压在它们之间。当 Kim 开始他的侦探工作时，人们认为这两种蛋白质是螺旋状的，由一种叫做亮氨酸的氨基酸连接。据推测，亮氨酸在每个螺旋的一侧形成一个粗糙的凸起脊。当两种蛋白质对接时，亮氨酸会相互啮合，一个螺旋上的凸起会卡在另一个螺旋的凸起之间，就像拉链的牙齿一样。因此，这两种蛋白质被牢牢地“拉链”在一起——这就是由其发现者、巴尔的摩卡内基学院的 Steven McKnight 创造的“亮氨酸拉链”（leucine zipper）一词。
当然，McKnight 并没有真正看到这些“拉链”。蛋白质太小了，即使使用电子显微镜也看不见，所以研究人员必须依赖各种间接方法。最明确但最困难的方法是让 X 射线从蛋白质的结晶版本上反射，然后借助计算机，根据散射射线的图案构建其形状。但 McKnight 是根据构成蛋白质的氨基酸序列来预测亮氨酸拉链和蛋白质的螺旋结构的。Kim 说：“这是个绝妙的工作。它有非常周密的预测和逻辑推断。只是他们得出结论，这种结构不是线圈线圈。” Kim 和他的研究生 Erin O’Shea 则有不同的看法。
为了检查这些蛋白质，Kim 进行了创新：他制作了一个模型。在实验室里，他和 O’Shea 构建了调节蛋白的片段，将氨基酸以与真实蛋白质相同的顺序连接起来。这些蛋白质片段，或称肽，比整个蛋白质更容易处理，并且可以让 Kim 专注于他怀疑是线圈线圈的蛋白质的确切部分。当研究人员将他们自制的肽放入类似于细胞内部液体的盐溶液中时，这些氨基酸微链卷曲成螺旋状，并像两条缠绕的蛇一样扭在一起——换句话说，它们形成了线圈线圈。但它们并没有完全“拉链”在一起。相反，一个线圈侧面的亮氨酸凸起会像一堆儿童玩具一样“咔嗒”地卡入另一个线圈的凸起上。
1989 年，Kim 发表了他的研究结果。两年后，在加州大学伯克利分校的蛋白质晶体学家 Tom Alber 的协助下，他通过 X 射线晶体学获得了这种结构的高分辨率图像，这相当于制作了一幅详细的三维地图。这是第一个分离出的线圈线圈的此类地图。Kim 和他的同事们发现了自然界中前所未闻的东西：一种受“凸起卡入”机制固定的调节蛋白质线圈线圈。“人们问我为什么我们没有改名，”Kim 说。“好吧，我们认为 McKnight 应该因发现这种蛋白质的特征形状而获得荣誉。而且，与‘亮氨酸拉链’相比，一个新的名字可能不会被大家接受。”
一年后，当 Kim 和 O’Shea 将注意力转向一种由 Fos 和 Jun 两种蛋白质组成的调节线圈线圈时，这一发现变得更加重要。在这种情况下，蛋白质的合作促进了一个致命的操作。Fos 和 Jun 是癌蛋白——由致癌基因产生的蛋白质。它们协同作用，破坏 DNA 的正常表达，并引发癌症。Kim 和 O’Shea 构建了这些蛋白质的肽模型，并发现这种邪恶的线圈线圈也是由同一种“卡入式”连接方式连接在一起的。
Kim 说：“理解这些蛋白质如何结合是我们关注的核心问题，因为它显然对健康有重要影响。现在我们知道，要破坏 Fos 和 Jun 之间的相互作用，就应该阻止这种连接。因此，癌蛋白结合的区域可能成为抗癌药物的重要靶点。Kim 的肽模型本身也可能提供攻击它们的方法。”
他说：“如果你将大量这些肽添加到细胞中，你可能会期望它们干扰线圈线圈。有时，合成的 Fos 肽会与 Jun 蛋白结合，而合成的 Jun 肽会与 Fos 蛋白结合，从而阻止这两种蛋白质寻找它们的天然搭档。如果有足够多的 Fos 和 Jun 的‘替身’侵入细胞舞池，真正的蛋白质就很难找到对方进行它们致命的华尔兹。”
Kim 于 1992 年发表的 Fos 和 Jun 研究结果，预示着一个更具戏剧性的发现。这次的动力仍然来自线圈线圈。Kim 一直在思考一个普遍问题：如何通过知道组成氨基酸的顺序来预测蛋白质的三维形状。“我应该能给你一个氨基酸序列，你就能告诉我它的结构是什么，”Kim 说。“线圈线圈是我们认为可以做到这一点的一个领域。”
线圈线圈之所以适合进行这种预测，是因为它们由相对简单的重复氨基酸序列组成。事实上，1991 年，普林斯顿大学的生物学家编写了一个计算机程序，他们声称该程序可以分析大量的蛋白质氨基酸序列，并找出可能是线圈线圈的蛋白质。Kim 和研究生 Chavela Carr 决定测试该程序对已通过 X 射线晶体学确定三维结构的蛋白质。Kim 说：“我们取了程序预测为线圈线圈的序列，将它们与它们的晶体结构进行比较，并检查它们是否真的是线圈线圈。不幸的是，它们常常不是。”
然而，一个被正确预测的结构出现在流感病毒的表面，在一个称为血凝素（hemagglutinin）的突出尖刺中。如果能用亚微观飞船探索流感病毒的表面，你会看到一个奇妙的景象。病毒表面遍布蛋白质尖刺，看起来非常像中世纪战锤的尖端。这些尖刺中最常见的是血凝素（简称 HA），它在 1981 年由哈佛大学的晶体学家 Don Wiley 绘制了图谱。如果你飞得更近，你会看到 HA 尖刺由三个螺旋肽组成，它们相互螺旋缠绕形成线圈线圈。每个螺旋肽的顶部都长出一个未折叠的氨基酸链，像下垂的藤蔓一样沿着线圈向下延伸。在这些三根蛋白质藤蔓的末端，是另一个螺旋段，这次较短，然后最终是一段短链，像钩子一样向后弯曲。整个结构的顶部，像环绕山峰的蓬松云朵，是三个蛋白质球。
研究人员知道，当流感病毒接近目标细胞——位于鼻腔、喉咙、气管或肺部——时，细胞会意识到病毒正在附近潜伏，并将其吞噬到一个称为内吞体的囊泡中。细胞试图通过分解和回收病毒的蛋白质和其他构建块来消灭入侵者。但病毒并没有被消化，反而发起了攻击。它的肽钩深深地刺入内吞体的壁，使病毒能够与细胞融合，将其基因注入其中，并开始感染吞噬者的过程。
然而，人们不知道的是，那些挂在柔软藤蔓末端的钩子是如何靠近远处的内吞体膜的。当 Kim 和 Carr 将计算机程序的氨基酸序列与真实结构的图谱进行比较时，这个持续的谜团又增加了一个新的问题：序列与 HA 尖刺的哪个部分相对应，而晶体学图谱显示那是线圈线圈？相反，它与下垂藤蔓的氨基酸序列完全相同。Kim 解释道：“我们取了说‘线圈线圈’的序列，去了血凝素那里，然后说，‘等一下！那不是线圈线圈，那是 the loop！’”
是预测错误，还是病毒隐藏了一个秘密？为了找出答案，Kim 再次开始构建模型，将氨基酸连接起来，复制出藤蔓的副本。然后，他将合成的藤蔓放入含有近似内吞体内容的溶液的试管中。突然，下垂的藤蔓卷曲成线圈线圈。最终，预测是正确的。
那么，为什么在晶体学图谱上没有出现线圈呢？因为在细胞内，这些藤蔓只在病毒与细胞融合的瞬间形成线圈线圈——也就是在钩子刺入膜壁的瞬间。在内吞体中，这一瞬间发生在强酸环境中：当细胞试图将病毒分解成可消化的小块时，内吞体内的液体会变得越来越酸。Wiley 的图谱描述的是一个更早的阶段，在病毒融合之前，因此环境也不同。难怪没有出现线圈线圈。
至此，Kim 终于解开了钩子如何接触细胞膜的谜团。谜团是：“钩子如何一直插入到血凝素顶部的目标膜中？嗯，当这些藤蔓形成线圈线圈时，它们会弹起来，并把钩子一同拖上去。”
Kim 实验室的后续研究揭示了一个奇特的场景。藤蔓不是松弛地挂着，而是像弹簧一样被张力向后弯曲。是什么将它们固定在那里？HA 分子顶部的三个蛋白质球。当内吞体内的酸度足够高时，蛋白质球就会脱落，释放藤蔓。就像被弹开的捕鼠器一样，它们会向上弹起，卷曲成线圈线圈，然后像鱼叉一样将拖在后面的钩子甩入细胞膜。
去年九月，Wiley 和他的团队宣布，他们已经将 HA 蛋白在酸度与融合过程中内吞体相似的环境中结晶。他们的新图谱显示，在藤蔓原本的位置上出现了一个弹开的线圈线圈。十月，借鉴 Kim 的技术，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的生物学家制作了肽模型，表明一旦弹开的线圈线圈将钩子刺入细胞膜，它就会展开，将病毒表面拉得更近。
Kim 说：“至少可以说，这是一个令人惊讶的蛋白质。我们通常处理的是非常细微的差异。所以，有一个蛋白质会发生如此巨大的构象变化，字面意义上地大幅度地‘摆动’出去——这不是你每天都能遇到的事情。”
生物学家每天也不会遇到的另一件事是，有一种方法可以干预广泛的感染过程。但是，了解流感病毒的机制使其成为可能。Kim 使用合成肽来破坏 Fos-Jun 线圈线圈的策略也可能适用于此处——也许像这些肽一样的药物可以干扰 HA 线圈线圈的形成。此外，流感似乎不是唯一采用这种华丽融合技术的病毒。呼吸道合胞病毒，是全球婴儿支气管炎和下呼吸道感染的主要原因，也可能是其中之一。艾滋病病毒 HIV 也可能是其中之一。这两种病毒都含有线圈线圈。Kim 现在正在制作 HIV 线圈线圈的肽模型，看看它是否也是一个“蓄势待发的弹簧”。杜克大学的病毒学家发现，至少在试管中，HIV 线圈线圈的肽模型确实可以阻止病毒感染。位于北卡罗来纳州研究三角园的生物技术公司 Trimeris 正在开发该方法用于人体试验。
Kim 说：“这一切都证明了基础研究的价值。如果我们有大量的钱去研究 HIV，我们永远也不会想出这种方法。正是因为我们对蛋白质折叠感兴趣，我们才达到了这一点。”
