Nature：蛋白酶体如何保持平衡(如何保持生态平衡？)

Nature：蛋白酶体如何保持平衡

2016年08月21日讯 细胞中的蛋白酶体（proteasomes）是所有真核生物中负责清除细胞内垃圾的除溶酶体以外的水解体系，能够从碱性、酸性和中性氨基酸的羧基侧水解多种与遍在蛋白连接的蛋白质底物。因此蛋白酶体的平衡具有至关重要的作用。

近期一组研究人员发现了一种进化上保守的维持蛋白酶体平衡的途径，即利用蛋白激酶 TORC1 调控细胞中蛋白酶水平。也就是说在适应性应激反应发生过程中，TORC1蛋白会受到抑制，从而影响到下游信号。

我们体内的细胞利用各种各样的系统来分解及回收受损或是无用的蛋白质，将这些垃圾清除掉以维持正常的功能。一种被称作为泛素（ubiquitins）的多肽在蛋白质降解过程中扮演着重要的角色，它像标签一样贴在需要降解的蛋白质上，由此细胞能够将这些蛋白质识别为垃圾。

泛素调节的蛋白质降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被泛素所标记，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白质酶复合体中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素，它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解及再循环利用，这种重要因子的需要一种RACs（伴侣蛋白）的协助作用，负责协调调节颗粒的装配，在应激条件下，还会使用一种叫作Adc17伴侣蛋白帮助生成更多蛋白酶体。

一直以来，科学家们都希望能了解应激如何引发Adc17水平上升，为此研究人员进行了深入研究，发现了一种演化保守的信号通道控制了酵母和哺乳动物体内的蛋白酶体平衡。他们发现在做出适应性应激反应时，TORC1蛋白质 （哺乳动物体内的mTOR）会受到抑制。因此，下游信号分子：酵母中的Mpk1酶或哺乳动物中的Erk5酶不仅确保了RACs供应会增加，还保证了蛋白酶体亚基供应增加。

由于蛋白酶体的重要作用，科学家们也纷纷聚焦于此，近期来自美国莱斯大学和德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员发现某些侵袭性肺癌细胞中免疫蛋白酶体（immunoproteasome）这个蛋白的表达显著降低，该蛋白是“给免疫系统的T细胞发信号去攻击病变细胞”这个过程中的一个关键因子。研究人员认为，也许有可能提高这些蛋白质的生产，来推翻细胞的逃逸机制。揭开癌细胞免疫逃逸的“诡计”

此外，马普生物物理化学研究所（MPI）的一个科学家小组以1.8埃（？）这一以前所未有的分辨率成功确定了人类蛋白酶体的三维结构--他们精确描绘出了每个原子在这一垃圾处理设施中的位置。

研究人员发现了有关蛋白酶体活性位点的一个重要细节。这一活性位点使得蛋白酶体能够降解细胞的垃圾，它是抑制剂药物结合来关闭蛋白酶体活性的位点。与普遍的看法相反，抑制剂和蛋白酶体活性位点的化学反应形成了一个7-环结构，其中包含了一个额外的亚甲基。研究人员解释说。这对于抑制剂的疗效和化学机制具有深远的影响。

如何保持生态平衡？

1.影响生态平衡的因素影响生态平衡的因素是十分复杂的，是各种因素的综合效应。一般将这些因素分为自然因素和人为因素。自然因素主要指自然界发生的异常变化。人为因素主要指人类对自然资源的不合理开发利用，以及当代工农业生产的发展所带来的环境问题等。如工业化的兴起，人类过高地追求经济增长，掠夺式地开发土地、森林、矿产、水资源、能源等自然资源；同时，工业“三废”中有毒、有害物质大量的排放，超出了自然生态系统固有的自我调节、自我修补、自我平衡能力和生长力极限，致使全球性自然生态平衡遭到严重破坏。

人类对生态平衡的破坏主要有以下三种情况：

（1）物种改变造成生态平衡的破坏人类在改造自然的过程中，往往为了一时的利益，采取一些短期行为，使生态系统中某一种物种消失，或盲目向某一地区引进某一生物，结果造成整个生态系统的破坏。例如，澳大利亚本没有兔子，后来从欧洲引进以作肉用并生产皮毛。引进后，由于没有天敌，在短时间内大量繁殖，以致草皮、树木被啃光，达到一种“谈兔色变”的地步。虽耗大量人力、物力捕杀但收效甚微，最后，引进了一种病菌，才控制了这场危机。我国20世纪50年代大量捕杀麻雀，造成某些地区虫害严重等。在日常生活中，人们乱捕滥杀，收割式地砍伐森林，长此以往，势必造成某些物种减少甚至灭绝，从而导致整个生态系统平衡的破坏。

（2）环境因素改变导致生态平衡的破坏这主要是指环境中某些成分的变化导致失调。随着当代工业生产的迅速发展和农业生产的不断进步，大量的污染物进入环境。这些有毒有害的物质一方面会毒害甚至毁灭某些种群，导致食物链断裂，破坏系统内部的物质循环和能量流动，使生态系统的功能减弱以至丧失；另一方面则会改变生态系统的环境因素。例如，随着化学、金属冶炼等工业的发展，排放出大量二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、氧化物以及烟尘等有害物质，造成大气、水体的严重污染；制冷剂漏入环境中引起臭氧层变薄；除草剂、杀虫剂和化学肥料的使用，导致了土质的恶化等。这些环境因素的变化，都有可能改变生产者、消费者和分解者的种类和数量，从而破坏生态系统的平衡。

（3）信息系统的改变引起生态平衡的破坏信息传递是生态系统的基本功能之一。信息通道堵塞，正常信息传递受阻，就会引起生态系统的改变，破坏生态系统的平衡。生物都有释放出某种信息的本能，以驱赶天敌、排斥异种，取得直接或间接的联系以繁衍后代等等。例如，某些昆虫在交配时，雌性个体会产生一种体外激素——性激素，以引诱雄性昆虫与之交配。如果人类排放到环境中的某些污染物与这种性激素发生化学反应，使性激素失去了引诱雄性昆虫的作用，昆虫的繁殖就会受到影响，种群数量会下降，甚至消失。总之，只要污染物质破坏了生态系统中的信息系统，就会有因功能而引起结构改变的效应产生，从而破坏系统结构和整个生态的平衡。

当今全球性自然生态平衡的破坏，主要表现为森林面积大幅度减少，草原退化，土地沙漠化、盐碱化，水土流失严重，动植物资源锐减等。

2.研究生态平衡需要注意的问题（1）生态平衡是动态的平衡生态系统中的生物与生物、生物与环境以及环境各要素之间不可能存在绝对平衡。就系统中的生物成分而言，不仅植物——动物——微生物之间存在着相互制约的关系，使它们在数量上，甚至在种类之间增增减减，在植物、动物和微生物各自的群落乃至种群内部亦有竞争、排斥、共生、互助等相生相克的关系不断发生。生物通过能流、物流和信息流不断调整系统的结构与功能，使生态系统处于动态的平衡之中。

（2）生态平衡是相对的，是发展、变化着的由于生态系统自身的不断发展，以及外部条件的变化，原有的平衡总是要被打破。当旧的生态系统平衡被破坏以后，在新的条件下，将建立起新的生态系统平衡。在这方面，生物进化的几个阶段给我们提供了很好的例证。生物的进化就是不断地从一个稳定状态飞跃到另一个稳定状态的过程。

生态系统是一个耗散结构，它的有序性主要体现在生态系统的平衡上。生态系统内外各种因素的变化，特别是一些重要因素的变化，包括自然的和人为的，必然使系统的有序性发生改变，从有序状态到无序状态。在新的条件下，生物与生物、生物与环境通过自身组织或人工调节，使无序状态又重新恢复到有序状态。生态系统就是从有序——无序——有序，从低层次有序发展到高层次有序。因此，生态平衡不是最后的平衡，是由低级到高级，由简单到复杂。人类正是利用这一点，不断建立更符合人类需要的各种人工、半人工生态系统。

（3）生态系统的平衡不是保持原始状态从人类的需求和社会的发展来看，保持原始状态的生态系统是没有必要的。原始状态的生态系统所生产的物质，无论是种类还是数量都不能满足现今人类社会的需要。只有遵循生态规律，按照人类的需求，对自然进行利用与改造，使生态系统结构更合理，功能更高效，才能实现最佳的生态效益。这是我们所期望的，也是能够达到的。例如，荒山变果园、植树造林、改良土壤等为人类提供了丰富的物质财富来源。

3.人类与自然的协调发展自然环境是生态存在和发展的前提条件。生物体通过与周围环境不断地进行物质和能量的交换，来维持自身的生长、发育和繁衍。因此，保护自然、恢复生态系统的平衡，保持人类与自然的协调发展，便成为当今人类面临的重要任务之一。

因为，人类只能以极少数的农作物和动物为食物来源，所以以人类为中心的生态系统结构简单。简单的食物网络极不稳定，容易发生大幅度波动。而人类又一味地向大自然超量索取，势必将进一步加剧自身赖以生存的生物圈的破坏。由此可知，遏制人类对自然资源的无限需求欲望，保持生态系统的平衡，实际上是保全人类自身。人类也只有在保持生态平衡的前提下，才能求得生存和发展。人类的一切活动都必须遵循自然规律，按照生态规律办事。

（1）合理开发和利用自然资源，保持生态平衡开发自然资源必须以保持生态系统的生态平衡为前提。只要重视生态系统结构与功能相互协调的原则，就可以保持系统的生态平衡，同时又可以开发自然或改造环境。只有生态系统的结构与功能相互协调，才能使自然生态系统适应外界的变化、不断发展，也才能真正实现因地制宜，发挥当地自然资源的潜力。只有重视结构与功能的适应，才能避免因结构或功能的过度损害而导致环境退化的连锁反应。

在利用生物资源时，必须注意保持其一定的数量和一定的年龄及性别比例。这应该成为森林采伐、草原放牧、渔业捕捞等生产活动中必须遵循的一条生态原则，以保证生物资源不断增殖恢复。否则，就会不可避免地出现资源枯竭，使生态系统遭到破坏。

（2）改造自然、兴建大型工程项目，必须考虑生态效益改造自然环境，兴建大型工程项目，必须从全局出发，既要考虑眼前利益，又须顾及长远影响；既要考虑经济效益，又要考虑生态平衡。生态平衡的破坏后果往往是全局性的、长期的、难以消除的。例如，兴修水利既要考虑水资源的利用，又要考虑由此引起的生态因素的变化。否则，一旦造成生态环境的恶化，后果将不堪设想。

埃及20世纪70年代初竣工的阿斯旺大坝就是例证。该坝的建成在电力、灌溉、防涝等方面带来了有益的一面，然而却因破坏了尼罗河流域的生态平衡，引起了一系列未曾料想的严重后果。尼罗河发源于埃塞俄比亚，流经苏丹和埃及而入地中海，在埃及入海口形成肥沃的三角洲。千百年来，河水的定期泛滥，给三角洲带来了土壤养分，冲洗了盐分，又给地中海带去了营养成分，著名的沙丁鱼即产于此地。大坝建成之后，河水不再泛滥，土地缺少肥源，盐渍化威胁日益加重。同时地中海也因缺少养分来源，浮游生物减少，鱼类生产受到损失，沙丁鱼的产量由未建坝时即1965年的15000吨降到1968年的500吨。水库完工后的1971年几乎不产沙丁鱼了。此外，水库的修建改变了当地的生态条件，使得血吸虫病和疟疾患者都增多了。

阿斯旺大坝虽然有利于埃及的工农业生产，但也使埃及付出了沉重的代价。我国也有类似的情况，如葛洲坝的建立，忽略了鱼、蟹等的回游生殖规律，后来经一些生态学家建议，采取人工投放鱼苗并辅以相应的其他措施，才保证了长江流域的渔业生产。因此，对于重大工程必须审慎从事，事前应充分论证，像三峡工程一样充分考虑到可能发生的生态平衡破坏的后果，并尽可能制定相应的预防措施。

（3）大力开展综合利用，实现自然生态平衡在自然生态系统中，输入系统的物质可以通过物质循环反复利用。在经济建设中运用这个规律，可以综合开发利用自然资源，将生产过程中排出的“三废”物质资源化、能源化和无害化，减少对环境的冲击。总之，人类在改造自然的活动中，只要尊重自然，爱护自然，按自然规律办事，就一定能够保持或恢复生态平衡，实现人与自然的协调发展。

蛋白酶体的进化

大肠杆菌中的HslV（蓝色）和HslU复合物（红色）。这一由热休克蛋白组成的复合物被认为类似于现在蛋白酶体的祖先。
20S蛋白酶体在真核生物中广泛存在且必不可少。一些原核生物，包括许多古菌和细菌中的放线菌也含有20S蛋白酶体的同源体，即大多数细菌都含有的热休克基因hslV和hslU，这两个基因所编码的蛋白质可以形成双层环状多聚体和ATP酶。 一些研究者认为HslV蛋白很可能类似于20S蛋白酶体的祖先。 一般来说，HslV蛋白对于细菌不是必要的，且并非所有的细菌都含有这一蛋白，而原生生物同时含有20S蛋白酶体和HslV蛋白系统。
序列分析显示，催化性的β亚基在进化过程中分化得比结构性的α亚基要早。表达20S蛋白酶体的细菌中，其β亚基与古菌以及真核生物的β亚基具有高度的序列相似性，而α亚基的序列相似程度则低得多。细菌中存在20S蛋白酶体可能是基因水平转移的结果，而真核生物中各亚基的分化则应是多次基因重复的结果。

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