我們的基因組中充滿了可能損害健康甚至致命的突變。然而，大多數突變卻很少引起問題。這是部分歸功於一類蛋白質，它們能掩蓋或「緩衝」這些突變本會引發的負面影響。這種緩衝作用可能解釋了為何基因變異在某些人身上會導致疾病，而在另一些人身上卻影響有限或沒有影響。它也可能與某些癌細胞和病原體如何威脅宿主並逃避免疫藥物有關。此外，它還能讓基因變異在族群中累積，為未來的演化提供潛在資源。
數十年前，研究人員就已知道，突變緩衝最重要的因素之一是一種稱為 HSP90 的蛋白質及其家族中的其他 HSP 蛋白質。如今，由於細胞篩檢和基因編輯等技術的進步，以及大型基因組數據集和廣泛健康記錄的可用性，生物學家正以前所未有的詳細程度檢視這些蛋白質的作用。
德州大學 MD 安德森癌症中心（University of Texas MD Anderson Cancer Center）的遺傳學家 Georgios Karras 表示，過去二十年來的進展已「將我們對 HSP90 緩衝的看法，從一個理論概念轉變為具有直接且重要實際應用的觀點，尤其是在臨床上」。例如，HSP90 可能會調節 BRCA1 基因在某些個體中與乳癌風險相關的影響。一些針對緩衝蛋白質的藥物已在開發中。
研究人員長期以來一直懷疑這些蛋白質可能影響演化的進程，而近年來的結果加強了這種觀點。透過確保生物體即使帶有高風險基因突變也能茁壯成長，緩衝蛋白質累積了變異的儲備，這些變異在面對環境壓力時得以釋放，觸發新適應的快速出現。Karras 說，從這個角度來看，HSP90 可能「塑造了地球生命的適應性演化」。
1950 年代，生物學家 Conrad Waddington 想要研究動物的環境如何影響其生理特徵。他將一些果蠅蛹置於 40°C 的高溫下數小時，這遠高於蛹通常會經歷的溫度。Waddington 觀察到，這種熱休克處理誘導了部分 resulting 蒼蠅出現新的翅膀形狀。透過選擇性地繁殖帶有異常翅膀的蒼蠅，即使沒有熱處理，這些突變的表型最終也出現了 1。牠們變得基因固定。這表明這些表型潛在的遺傳變異早已存在於蒼蠅族群中，但以某種方式被隱藏起來，直到熱處理將其顯露出來。
Waddington 的工作讓當時的同儕感到困惑。這似乎與當時關於基因如何產生遺傳特徵的主流觀點不符。隨後的幾十年裡，獨立的研究確定了受熱暴露誘導的基因；這些基因產生的蛋白質被稱為熱休克蛋白（HSPs）。
1998 年，當時任職於芝加哥大學（University of Chicago）的分子生物學家 Suzanne Rutherford 和 Susan Lindquist 將這些蛋白質的活性與 Waddington 所見的奇特現象聯繫起來。他們將標準實驗室品系的果蠅與攜帶 Hsp83 基因（人類 HSP90 的果蠅對應基因）突變的蒼蠅進行雜交 2。雜交後約有 1.7% 的品系出現發育缺陷，包括腹部畸形、無眼以及腿部和翅膀變形。為何單一基因突變會產生如此廣泛的變化？
研究人員得出結論，正常蒼蠅族群中一定存在潛在的突變庫，而他們找到了釋放所有這些突變的「主控開關」。Lindquist 認為 HSP90 蛋白質充當了「形態演化的電容器」，將遺傳變異隱藏起來。她說，關閉它，一切都可能失控 2。
華盛頓大學醫學院（University of Washington School of Medicine）的基因組學家 Christine Queitsch 表示，由於生物體必須能夠承受突變才能存活，因此各種形式的緩衝機制已經編織到由基因及其相互作用形成的複雜網絡中。例如，可以透過備援系統來加強通路，以防其中一個失效。緩衝機制還可能涉及更複雜的基因職責重新分配，其方式仍未完全理解：例如，透過回饋迴路來增強一個基因的活性，以補償另一個基因的失敗。
自 Lindquist 的開創性工作以來，HSP90 和更廣泛的 HSP 蛋白質家族已成為緩衝機制中的關鍵組成部分。這些熱防禦蛋白存在於從細菌到人類的各種生物體中。高溫會導致許多蛋白質變性並失去其功能性的摺疊結構。HSP90 是一種「分子伴侶」，有助於使變性的蛋白質重新摺疊（見「摺疊促進劑」）。細胞中含有大量的 HSP90：它佔人類細胞總蛋白質含量的約 1%。
HSP90 協助摺疊各種「客戶」蛋白質，其中許多蛋白質是重要過程的核心。這些包括荷爾蒙受體、轉錄因子和細胞訊號傳導分子。現在很清楚，HSP90 不僅僅是幫助抵抗熱休克，它還能在正常條件下，在面對可能損害其摺疊的突變時，維持其客戶蛋白質的功能。
然而，HSP90 能應對的壓力是有限的。在壓力時期，它可能會因需求過載而不堪重負，無法控制遺傳變異。這不一定是壞事，因為某些基因變異可能在某些生物體中帶來優勢——這些表型可以幫助族群應對壓力。然後，這些變異可能透過選擇作用在族群中佔主導地位。
HSP90 並非孤軍奮戰。過去幾年的研究已確定了 HSP 家族之外的幾個更相關的基因。2024 年，比利時 VIB-KU Leuven 微生物學中心（VIB-KU Leuven Center for Microbiology）的遺傳學家 Kevin Verstrepen 和他的同事使用高通量技術，在酵母 Saccharomyces cerevisiae 中識別了緩衝基因 3。他們採用了約 5,000 個品系，每個品系都有一個不同的基因被刪除，然後使用紫外線隨機誘導更多突變。如果被刪除的基因參與了緩衝作用，預計當細胞暴露於紫外線時，你會看到生長或其他特徵出現更多變異。
該研究確定了幾個具有這種強烈影響的基因，它們都參與蛋白質摺疊（類似於 HSP90）或組織染色質（構成染色體的 DNA-蛋白質複合物）。但 Verstrepen 表示，什麼構成緩衝基因仍有爭議：許多，甚至大多數基因都與其他基因相互作用。Verstrepen 說：「對於一個基因必須具有多大的遺傳相互作用才能被稱為緩衝基因，並沒有明確的定義。」「這有點武斷。」
然而，HSP90 仍然是該領域的代表性例子。Queitsch 說，這是因為它對壓力非常敏感——它在連接生物體的生物學與其環境方面發揮著重要作用——而且它的客戶蛋白質在塑造表型方面具有如此重要的作用。如果 HSP90 出現問題，有缺陷的基因變異或我們細胞中不斷發生的隨機突變，尤其是在我們暴露於紫外線、酒精和香菸煙霧等壓力時，可能會以可能產生問題的方式出現。Verstrepen 說：「如果一個人缺乏緩衝基因，或者緩衝基因的活性較低，那個人可能更容易受到新的、隨機的或已存在的突變的影響。」
這就是為何緩衝機制正成為生物醫學研究的焦點。2017 年，Karras 在 Lindquist 的實驗室擔任博士後研究員時，該團隊首次發現了兩種緩衝蛋白質 HSP90 和 HSP70 在人類健康中的作用 4。（Lindquist 是該論文的合著者，但她已於前一年因癌症去世）。研究人員研究了 FANC 蛋白質的緩衝作用，這些蛋白質參與修復受損的 DNA。編碼這些蛋白質的基因突變與罕見疾病范可尼貧血症（Fanconi anaemia）有關，該疾病可能導致發育併發症以及癌症易感性。Karras 和他的同事發現 HSP90 緩衝了其中一個基因 FANCA 的某些變異（HSP70 的作用更為複雜）。
他們還測試了損害細胞中 HSP90 的影響。當細胞暴露於 39-40°C 的溫度（可能發生在發燒患者身上的範圍）時，細胞對化學化合物引起的 DNA 損傷變得更加脆弱。研究人員確定，HSP90 的儲備因熱休克產生的需求而耗盡，因此無法再掩蓋 FANCA 突變。
Karras 說，這項工作的一個啟示是，特定疾病相關基因變異的影響可能取決於環境壓力源，例如溫度，這會改變緩衝的程度。研究人員尚未研究這種可能性。
蛋白質 HSP90 作為基因突變的緩衝劑，幫助由突變基因產生的蛋白質正確摺疊，並中和這些變異的影響。圖片來源：Laguna Design/Science Photo Library
如果環境壓力確實會影響基因變異的疾病風險，這將使僅憑基因分析來估計這種風險的努力變得複雜。此外，突變的臨床意義也因與其他基因的複雜相互作用而變得模糊，這使得確定特定變異對某人疾病風險的影響程度（其「外顯率」）更加困難。
雖然范可尼貧血症是一種罕見疾病，但同樣的考量也應適用於更常見的遺傳疾病變異。Karras 一直在研究 HSP90 對 BRCA1 基因的緩衝作用。與 FANCA 基因類似，BRCA1 參與基因組維護，HSP90 穩定突變變異並幫助它們發揮功能。這降低了攜帶這些變異的人在生命早期患上癌症的機率 5。與年齡相關的癌症風險似乎取決於 BRCA1 蛋白質與 HSP70 和 HSP90 的結合程度 6。損害 HSP90，這些變異相關的問題就會顯現出來——儘管 Karras 表示，目前尚不清楚這在 BRCA1 相關癌症中發生的程度。
HSP90 不僅幫助蛋白質摺疊，似乎還參與調控其各自的基因。加州史丹佛大學（Stanford University）的化學生物學家 Daniel Jarosz（也是 Lindquist 實驗室的校友）和他的同事篩選了與 HSP90 相互作用的酵母細胞基因組區域，發現了超過 5,000 個這樣的區域 7。令人驚訝的是，其中約一半不是編碼蛋白質的序列，而是參與基因調控的非編碼序列——特別是編碼 HSP90 客戶蛋白質的基因的調控。HSP90 如何緩衝這些非編碼區域尚不清楚。但由於 Verstrepen 表示，這類序列很少出現在疾病相關基因變異的數據庫中，「我們可能會錯過一些對疾病管理至關重要的關鍵緩衝突變」。
緩衝機制是一把雙刃劍。一方面，HSP90 可以保護我們免受我們所有人身上存在的突變最嚴重後果的影響。另一方面，這種好處可能被癌細胞利用。它可以讓這些細胞掩蓋其高突變率並促進腫瘤中的基因多樣性，這使得它們更容易發展出對化療的抗藥性。但由於癌細胞以這種方式依賴 HSP90，這使其成為潛在的治療標靶。
Karras 和他的同事研究了對靶向療法產生抗藥性的 BRCA1 突變腫瘤細胞，並用一種抑制 HSP90 的化學物質進行治療。這些細胞無法再緩衝使其產生抗藥性的突變，並變得容易受到藥物影響 5。Karras 說，透過這些方式，突變緩衝「對疾病具有實際意義」。
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其他潛在有害的生物體也可以利用相同的技巧。Verstrepen 和他的同事已證明，一個名為 GIM3 的基因，是他們在酵母研究中發現的緩衝基因之一，似乎被一種感染人類的致病酵母用來支持生長並發展出對抗真菌藥物的抗藥性 8。2021 年，另一組研究人員發現，結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）中的一種緩衝蛋白質 DnaK（HSP70 的細菌對應物）有助於引起結核病的微生物發展出對抗生素的抗藥性 9。
由於 DnaK 允許耐藥突變的出現和存活，抑制 DnaK 可能會削弱耐藥菌株，甚至從一開始就阻止它們的出現。紐約市紀念斯隆凱特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的傳染病研究員 Michael Glickman 說，這是一種非常重要的蛋白質，禁用它應該會抑制結核分枝桿菌——但緩衝作用的抑制「將是額外的益處」。紐約大學（New York University）的化學家 Tania Lupoli，曾與 Glickman 在相關工作中合作，目前正在探索一種稱為 telaprevir 的藥物是否可以抑制 DnaK，以增強抗生素的作用並阻止抗藥性 10。
儘管 Lindquist 證明 HSP90 緩衝的遺傳變異在許多生物體中普遍存在，Karras 說，但「這種緩衝是否影響過生命的自然演化」仍然未經證實。但在 2024 年，他與同事們在用於釀造啤酒的酵母的演化背景下報告了這樣一個案例。
釀酒酵母攜帶消化麥芽糖的基因的重複。Karras 和他的同事認為 HSP90 在促成這些重複方面起到了關鍵作用 11。通常，HSP90 幫助摺疊一種蛋白質，該蛋白質反過來控制麥芽糖消化酶的表達。但釀造過程會產生乙醇，這會抑制 HSP90——這對酶產生影響。Karras 和他的同事得出結論，基因重複的演化是為了確保即使在 HSP90 受損的情況下，代謝也能繼續進行。如果表達足夠多的酶，那麼它們個別工作不如有 HSP90 時那麼好就無關緊要了。
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在另一個例子中，去年，德國明斯特大學（University of Münster）的生物學家 Joachim Kurtz 和他的同事們證明 12，隱藏的變異可以成為有用的演化資源。他們破壞了擬步行蟲 Tribolium castaneum 中的 HSP90，發現一些個體出現了小眼睛。這些突變體實際上比正常眼睛的同胞具有更高的適應度和繁殖成功率。
這項研究以及過去幾年的其他研究揭示了緩衝機制對生物學產生影響的幾種方式。瑞士蘇黎世大學（University of Zurich）的演化生物學家 Andreas Wagner 說：「我認為緩衝機制對適應性演化有深遠的積極影響。」除了增加遺傳變異的能力外，Wagner 在細菌上的研究表明，緩衝機制有時也可以透過清除族群中有害突變來減少遺傳變異 13。
Karras 說，HSP90 對壓力敏感這一事實，可能使其成為演化變化的守門人。這仍然有爭議，他說：「我們還有很多工作要做，但我對這個領域將要開闢的道路感到非常興奮。」
