抗凍蛋白新近研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)

高媛，田淑琴

(西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610041)

處于嚴(yán)寒地帶的生物由于自然選擇而產(chǎn)生了抗凍蛋白從而具有對(duì)抗冰凍的能力。抗凍蛋白(Antifreeze proteins，AFPs)是一類在結(jié)冰或亞結(jié)冰條件下，能抑制冰晶生長從而保護(hù)生物有機(jī)體免受冰凍傷害的蛋白質(zhì)，現(xiàn)已從魚類、昆蟲 、植物、細(xì)菌和真菌等許多物種中被發(fā)現(xiàn)。另外，也可通過低溫選育，低溫或脫落酸(ABA)誘導(dǎo)等手段獲得抗凍蛋白。

一、抗凍蛋白作用機(jī)制

只有滿足冰必須在胞外形成，且冰晶的大小及形狀受到控制這兩個(gè)條件，抗凍生物才能免受冷凍的傷害。要了解抗凍蛋白的作用機(jī)制，首先要明確熱滯活性(Thermal hysteresis activity，THA)，即熔點(diǎn)與冰點(diǎn)之差；非依數(shù)性，是指冰點(diǎn)的降低決定于AFP的性質(zhì)而非溶液中分子的數(shù)量；重結(jié)晶抑制作用(Recrystallization inhibition)。過冷卻點(diǎn)在致冷因素持續(xù)作用下降至某溫度時(shí)，過冷狀態(tài)迅速瓦解發(fā)生凍結(jié)，該溫度即組織的過冷卻點(diǎn)。生物學(xué)物學(xué)研究中常把過冷卻點(diǎn)作為生物體抗寒性和抗凍性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

抗凍蛋白的作用機(jī)制尚不清楚，目前有“氫鍵結(jié)合”模型，“表面互補(bǔ)”模型理論等，還需要更進(jìn)一步的研究。

二、抗凍蛋白的特征

抗凍蛋白保護(hù)有機(jī)體免受結(jié)冰引起的傷害，具有3個(gè)基本特征：冰晶形態(tài)效應(yīng)、熱滯效應(yīng)(ThermaHysteresi，TH)、重結(jié)晶抑制效應(yīng)。抗凍蛋白對(duì)冰晶形態(tài)具有明顯的修飾作用, 對(duì)冰晶的修飾可改變冰晶的形狀，基本上可分為六棱雙金字塔和六棱盤或六棱柱這兩大類 ，這已經(jīng)成為檢驗(yàn)蛋白質(zhì)是否具有抗凍活性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。并且，抗凍蛋白通過在冰晶表面的特異性吸附，阻止冰晶的生長，最終產(chǎn)生熱滯效應(yīng)和重結(jié)晶抑制作用。

只影響結(jié)冰而不影響熔化的特殊的熱滯效應(yīng)是AFPs的重要特征，能使溶液的冰點(diǎn)低于熔點(diǎn)，從而抑制冰晶的生長，特別是在較低的濃度下就有抑制重結(jié)晶作用，保護(hù)生物免受凍害的影響。另外，抗凍蛋白的產(chǎn)生不僅具有明顯的季節(jié)性，而且不同種屬差異性很大，抗凍蛋白具有很好的熱穩(wěn)定性而且分子和結(jié)構(gòu)具有多樣性的特點(diǎn)。

三、抗凍蛋白的類型

抗凍蛋白包括抗凍糖蛋白、抗凍蛋白I、抗凍蛋白Ⅱ、抗凍蛋白Ⅲ、抗凍蛋白Ⅳ。

（一）魚類抗凍蛋白郝鳳霞等研究發(fā)現(xiàn)魚源Ⅲ型抗凍蛋白的濃度在50 mg/ml時(shí)抗凍效果最好，在-80℃時(shí)基本可以代替甘油用于菌種保存。長角杜夫魚IV型AFP具有抗凍活性，與大黃魚相比較既可知其IV型AFP不具有抗凍活性。

（二）昆蟲抗凍蛋白目前對(duì)于昆蟲抗凍蛋白的研究主要集中在黃粉甲、云杉卷葉蛾和赤翅甲累昆蟲，對(duì)于昆蟲抗凍蛋白的克隆和表達(dá)是研究抗凍蛋白活性和功能的主要途徑，邱立明等研究發(fā)現(xiàn)目前在 GenBank注冊(cè)的昆蟲抗凍蛋白基因約100個(gè)，集中于9種昆蟲隸屬鞘翅目3個(gè)科和鱗翅目1個(gè)科。昆蟲抗凍蛋白的天然表達(dá)具有物種見和同種型間的多樣性的特點(diǎn)。

（三）植物抗凍蛋白植物抗凍蛋白同時(shí)具有抗凍、抗病雙重功能。植物抗凍蛋白提高植物抗凍性的主要途徑不是阻止冰晶的形成，而是調(diào)控胞外冰晶的增長及抑制冰的重結(jié)晶，避免冰晶增大而產(chǎn)生致死性的機(jī)械損傷。

冬黑麥、歐白英、卷心菜、羽衣甘藍(lán)、歐洲云杉、花生、冬小麥、胡蘿卜、黑麥草、桃樹、沙冬青、唐古特紅景天等植物中通過冷誘導(dǎo)分離和鑒定了抗凍蛋白。其中以胡蘿卜和冬黑麥抗凍蛋白研究得最為詳細(xì)，已經(jīng)分別克隆了它們的編碼序列。植物抗寒基因工程主要有兩方面的研究，一方面是調(diào)控性蛋白基因的導(dǎo)入，調(diào)控寒冷信號(hào)傳導(dǎo)、抗寒基因表達(dá)和抗寒蛋白活性；另一方面是與提高植物抗寒性直接相關(guān)的功能性蛋白基因的導(dǎo)入。

（四）水產(chǎn)抗凍蛋白對(duì)水產(chǎn)抗凍蛋白的研究主要集中在水產(chǎn)脊椎動(dòng)物抗凍蛋白和水產(chǎn)無脊椎動(dòng)物和海藻類抗凍蛋白。研究水產(chǎn)抗凍蛋白對(duì)于提高水產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有很大意義。

（五）細(xì)菌及真菌抗凍蛋白細(xì)菌及真菌抗凍蛋白的研究目前較少，有待進(jìn)一步更加深入的研究。

四、討論

抗寒性是由多基因控制的，而且還與其它環(huán)境因子的脅迫發(fā)生交叉作用，這就增加了抗寒機(jī)制研究的復(fù)雜性。在植物抗凍基因工程和細(xì)胞低溫貯存等方面，植物抗凍蛋白比魚類抗凍蛋白和昆蟲抗凍蛋白具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)然，讓抗凍蛋白發(fā)揮其獨(dú)特并廣泛的作用，我們還要面臨很多挑戰(zhàn)。若是能通過基因工程等手段從極地魚得到足夠量的抗凍蛋白，就能夠?qū)Ω鞣N魚類的養(yǎng)殖進(jìn)行改進(jìn)從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。能否將極地魚的抗凍蛋白通過基因工程的手段整合到牛、羊豬等常見家畜的體內(nèi)，從而擴(kuò)大這類動(dòng)物的生存環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)環(huán)境向更加生態(tài)的方向發(fā)展。基因工程表達(dá)抗凍蛋白需要克服表達(dá)量活性不高的問題。無毒的AFPs在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的潛力。有了抗凍蛋白，可保護(hù)器官移植過程中的器官以及組織，也能防止凍傷,且可防止農(nóng)作物受到凍害。總之，對(duì)抗凍蛋白進(jìn)行更深入的的研究，對(duì)于提高人類的生活質(zhì)量具有重大的意義。

（略）