蛋白質是生命的組成部分。它們是活細胞的眼睛、手臂和腿。即使是生物學中最具代表性的分子DNA，其重要性首先也是因為它包含指定蛋白質組成的基因。我們身體中的細胞彼此不同——充當神經元、白細胞、嗅覺感測器等等——很大程度上是因為它們啟用不同的基因組，從而產生不同的蛋白質混合物。
鑑於這些分子的重要性，人們會認為生物學家早就弄清楚了它們的基本外觀和工作原理。然而，幾十年來，科學家們接受了一種不完整的圖景。他們非常正確地理解，蛋白質由像珠子一樣串在一起的氨基酸組成。但他們確信，為了使蛋白質正常發揮功能，其氨基酸鏈首先必須摺疊成精確、剛性的構象。然而，現在越來越清楚的是，許多蛋白質在從未完全摺疊的情況下執行其生物學任務；其他蛋白質僅在需要時才摺疊。事實上，可能有多達三分之一的人類蛋白質是“內在無序的”，至少具有一些未摺疊或無序的部分。
可以肯定的是，生物學家早就知道，像複製DNA或將其轉錄為RNA的聚合酶這樣的酶是複雜的奈米機器，由許多運動部件組成，鉸鏈允許蛋白質的不同片段相互樞轉。但這些蛋白質通常被描繪成剛性部分的組合，就像摺疊椅的各個部分一樣。內在無序蛋白質看起來更像是在沸水中不斷晃動的部分煮熟的義大利麵。
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十五年前，這種說法似乎完全是異端邪說。今天，科學家們意識到，這種無定形和靈活的特徵可能幫助地球上的生命開始，並且它們的靈活性繼續在細胞中發揮關鍵作用，例如，在細胞分裂和基因啟用期間。這種新的理解不僅為細胞的基本生物學提供了驚人的新見解，同樣令人興奮的是，它暗示了治療疾病（包括癌症）的新方法。
完美匹配
剛性三維結構決定蛋白質功能的概念最早出現在1894年。柏林大學的化學家埃米爾·費舍爾提出，酶（生化反應的催化劑）透過與其外表面的特定形狀結合來與其他分子相互作用；與此同時，酶會完全忽略表面特徵僅略有不同的任何分子。換句話說，酶及其結合夥伴像鑰匙和鎖一樣契合在一起。
在費舍爾提出他的模型時，蛋白質的性質是未知的。在接下來的60年左右的時間裡，生物學家瞭解到蛋白質是氨基酸鏈，並得出結論，它們必須摺疊成精確的形狀才能正常工作。1931年，中國生物化學家吳憲為這一觀點提供了強有力的支援，表明蛋白質變性或天然三維結構的喪失導致功能的完全喪失。從那時起，從1958年確定了精子鯨肌紅蛋白的三維結構開始，研究人員已經確定了超過50,000種蛋白質的結構，通常首先誘導它們的剛性結構形成晶體，然後用X射線散射這些晶體。
然而，在這個結構化的、鎖和鑰匙的蛋白質世界中，並非一切都是靜態的。早在20世紀初，科學家們就知道許多抗體可以與多個靶標或抗原結合——這一觀察結果與鎖和鑰匙模型並不完全吻合。在20世紀40年代，偉大的化學家萊納斯·鮑林推測，某些抗體可以以多種方式摺疊，每種構象的摺疊都由抗體和抗原之間的契合度引導。
從大約20世紀40年代開始，各種其他觀察表明，並非所有蛋白質都遵守功能源於剛性三維結構的教條。但是，那些不遵守的蛋白質通常被視為孤立的、反常的例外。我們中的一位（鄧克）是最早收集此類例子並注意到也許教條本身需要修正的研究人員之一。例如，在1953年，科學家們注意到牛奶蛋白質酪蛋白在很大程度上是非結構化的；這種柔韌性可能有助於嬰兒哺乳動物對其進行消化。在20世紀70年代初期，發現一種名為纖維蛋白原的蛋白質包含一個沒有固定結構的顯著區域；該區域以及後來發現的類似但較小的區域，在血液凝固中起著關鍵作用。在20世紀70年代後期，形成菸草花葉病毒外殼或衣殼的蛋白質提供了另一個引人注目的例子。當衣殼為空時，該蛋白質具有大的、非結構化的區域，鬆散地懸掛在衣殼的腔內；這種鬆散性使在受感染細胞中病毒複製過程中新產生的RNA能夠包裝在內部。但是，當RNA進入時，蛋白質會與之結合並變成剛性形狀。
與此同時，無法誘導某些蛋白質在其試管中摺疊的實驗者認為他們做錯了什麼：氨基酸鏈肯定會在細胞環境中找到“正確”的摺疊形狀。例如，當研究人員將含有分離蛋白質的溶液放入小瓶中，並用核磁共振（NMR）光譜儀（蛋白質研究的主力）掃描它們時，他們有時會得到模糊的資料，他們將其解釋為表明蛋白質未能摺疊。
但是，這些資料講述了一個更豐富的故事。核磁共振光譜學涉及應用強大的射頻脈衝，以誘導特定元素（如氫）的原子核同步旋轉。原子核響應中的輕微頻率偏移與氨基酸內部原子的位置以及這些氨基酸相對於彼此的位置緊密相關。因此，研究人員通常可以從這些頻率偏移中拼湊出剛性蛋白質的結構。但是，如果氨基酸移動很多——就像未摺疊的蛋白質的情況一樣——頻率偏移會變得模糊。
1996年，我們中的一位（克里瓦奇，當時在斯克裡普斯研究所）對一種名為p21的蛋白質（參與控制細胞分裂）進行核磁共振光譜學研究時，注意到了一些令人震驚的事情。根據他的核磁共振資料，p21幾乎完全無序。氨基酸圍繞將它們連線在一起的化學鍵自由旋轉，在一種構象中停留的時間不超過一秒的一小部分。然而——這才是令人震驚的部分——p21仍然能夠執行其關鍵的調節功能。這是第一個令人信服地證明缺乏結構不會使蛋白質變得無用的例子。
核磁共振光譜學仍然是確定蛋白質是摺疊還是無序的主要技術，並且與其他技術一起，它現在已經證實許多蛋白質是內在無序的。這些分子在布朗運動和自身熱抖動的作用下不斷變形，但它們的功能卻完全正常。
蛋白質義大利麵
這種新的、更廣泛的觀點透過蛋白質p27得到了很好的說明，已知p27存在於大多數脊椎動物中。與p21一樣，p27是調節細胞分裂的關鍵蛋白質之一，因此細胞不會不受控制地繁殖。核磁共振顯示，p27具有高度的靈活性，其各個部分快速摺疊和展開成短暫存在的螺旋形或片狀結構。人類大多數癌細胞中p27的含量減少，損失越大，患者的生存預後越差。
p27分子透過結合並抑制至少六種不同型別的激酶酶的活性，起到細胞分裂的剎車作用。激酶是DNA複製和細胞分裂的主要調節器。它們將磷酸鹽（PO4）連線到其他蛋白質（“磷酸化”它們），這一舉動會引發一連串的事件。在執行其任務時，線狀的、動態的p27分子纏繞在激酶（具有大部分剛性結構）周圍，並覆蓋其表面的很大一部分，包括其化學反應性或“活性”位點。這種阻斷阻止了磷酸化，從而阻止了細胞分裂。因此，由於其靈活性，p27可以圍繞不同型別的酶塑造自身並抑制它們。具有這種能力的蛋白質被描述為混雜的或身兼數職的。
p27蛋白質幾乎完全是非結構化的，因此它位於從完全無序（完全非結構化）到完全有序（完全剛性摺疊）的尺度上的無序端附近。激酶本身位於該尺度的另一端附近。許多其他蛋白質介於兩者之間，既有結構化區域，也有非結構化區域。鈣調磷酸酶參與免疫反應（並且是抗排斥藥物的靶點），它與激酶相反：它從已被磷酸化的特定蛋白質中去除磷酸鹽。它具有一個結構化區域，即酶的活性位點，並以經典的鎖和鑰匙方式操作，以從其他蛋白質中去除磷酸鹽。但它也有一個非結構化區域，當不需要去除磷酸鹽時，該區域會結合並滅活酶自身的活性位點。因此，鈣調磷酸酶就像兩種蛋白質合二為一：結構化區域執行催化作用，而非結構化區域調節這種催化功能。
到目前為止，我們討論的例子是蛋白質在執行其功能時摺疊——無論是自身摺疊還是圍繞其他蛋白質摺疊。但是，無序通常是蛋白質工作機制的一部分。在一個已知的例子中，非結構化區域的長度充當計時裝置，控制兩個結合位點結合在一起的速度：如果非結構化區域較長，則兩個結合位點彼此搜尋的時間比非結構化區域較短時更長。在另一個例項中，非結構化使特定蛋白質能夠穿過狹窄的開口並穿過細胞膜。非結構化蛋白質存在於神經細胞的軸突中，在那裡它們形成刷狀結構，防止軸突塌陷。
出乎意料的是，即使在結合後，某些蛋白質仍然是非結構化的。在多倫多兒童醫院，坦婭·米塔格（現任克里瓦奇系教員）最近在酵母中發現了一種抑制蛋白Sic1，它通過幾個連續跳上和跳下單個結合位點的片段與伴侶保持連線，而Sic1的其餘部分仍然無序。
無序也存在於較簡單生物甚至病毒的蛋白質中。一些被稱為噬菌體的病毒，專門感染細菌，透過連線到噬菌體主體的柔性連線蛋白連線到宿主膜。附著蛋白比整個噬菌體更小、移動速度更快，然後可以快速重新定向以最佳化其在對接過程中的對齊。
廣泛的混雜性
迄今為止，全球各地實驗室的研究人員已經直接鑑定出大約600種部分或完全非結構化的蛋白質，並瞭解了它們的功能。但我們懷疑存在更多。畢竟，科學家們迄今為止只瞭解了估計存在於人體內的約100,000種蛋白質中的一小部分結構。此外，鄧克及其合作者的新“生物資訊學”研究也指向了這一方向。
生物資訊學方法建立在早期對單個蛋白質的理論研究之上，這些研究表明，在細胞合成氨基酸鏈以製造蛋白質後，該鏈的摺疊方式取決於其組成。特別是，體積大且疏水的氨基酸——意味著它們“不喜歡”自然包圍蛋白質的水分子——傾向於最終位於內部。相反，最終位於給定摺疊蛋白質表面的那些氨基酸通常是小的且親水的——它們傾向於粘附到周圍的水分子。
鄧克的想法是將已知內在無序蛋白質的氨基酸序列與已知具有剛性摺疊形狀的蛋白質的氨基酸序列進行比較。他的團隊在1997年使用計算機演算法發現，與剛性蛋白質相比，內在無序蛋白質往往富含親水性氨基酸。因此，親水性和疏水性氨基酸的平衡可以預測給定蛋白質是僅部分摺疊還是完全不折疊。
為了探索其早期發現的生物學意義，鄧克的團隊在2000年對生命王國進行了比較。研究人員使用演算法檢查了各種生物體的基因組，這些演算法尋找編碼長鏈親水性氨基酸的DNA片段。相應的蛋白質將是最有可能至少部分非結構化的候選者。在最簡單的生物體、細菌和古細菌中，預計內在無序的蛋白質較少。但在真核生物——更復雜的生物體，如酵母、果蠅和人類，它們具有有核細胞——非結構化蛋白質似乎更為普遍。
這些結果在2004年得到了倫敦大學學院的大衛·T·瓊斯領導的團隊的擴充套件，他們使用了類似的比較，其中包括人類資料。引人注目的是，研究人員發現，多達35%的人類蛋白質可能具有長的非結構化區域。因此，我們蛋白質中約有三分之一可能具有大的區域，鎖和鑰匙的概念對於這些區域根本不適用。
造成這種差異的原因尚不清楚，但一種可能的解釋是，具有鎖和鑰匙結構特徵的蛋白質針對酶活性等功能進行了最佳化，而非結構化蛋白質最擅長訊號傳導和調節。簡單細菌將所有東西都放在一個容器中；複雜生物體具有多個細胞內容器，如細胞核、高爾基體、線粒體等等，因此需要在其各個部分之間進行更多訊號傳導，並需要更廣泛的調節。多細胞生物還需要訊號傳導方案來協調各個細胞和組織之間的活動。在前面討論的p27的例子中，由於其靈活性，該蛋白質可以沿著細胞的訊號通路傳遞化學資訊：這些資訊編碼在其構象、化學修飾（如磷酸化）以及與其結合的夥伴（從而抑制或調節）中。
進化史上保守得最好的秘密
細菌中內在無序蛋白質的缺乏可能意味著這些蛋白質僅在進化後期才出現。然而，幾條研究線索表明它們出現得很早。一方面，許多重要的細菌訊號傳導系統確實使用非結構化而不是結構化蛋白質。此外，在由RNA和蛋白質組裝在一起的進化上古老的分子機器中，幾乎所有蛋白質在未與其RNA夥伴結合時都是部分或完全非結構化的。這些古老的雜合複合物包括剪接體（一種分子機器，在產生蛋白質的步驟中編輯或剪接RNA）和核糖體（將氨基酸串聯成蛋白質的複合物）。
對生命起源的研究也暗示了非結構化蛋白質的古老性。一個主要的假設是，第一個生物體是基於RNA的。RNA既充當催化分子，又充當遺傳資訊的儲存庫——這些角色在現代細胞中分別由蛋白質和DNA扮演。“RNA世界”理論的一個重大問題是，RNA非常低效地摺疊成其催化活性形式，並且經常卡在非活性構象中。在今天的細胞中，稱為RNA伴侶蛋白的蛋白質幫助RNA正確摺疊。其他蛋白質將給定的RNA穩定在其活性構象中，這提高了這種蛋白質的出現解決了RNA摺疊的粘連問題的可能性。伴侶蛋白和穩定蛋白在與RNA結合之前都缺乏穩定的結構。
對遺傳密碼起源的分析為非結構化蛋白質的早期進化提供了更多支援。遺傳密碼是細胞用來將儲存在核酸（RNA或DNA）中的資訊翻譯成氨基酸序列的一組規則。研究人員認為，某些氨基酸在生命進化的早期就被編碼了，而其他氨基酸則在稍後出現。驅動蛋白質摺疊的體積大、疏水的氨基酸很可能出現得較晚，因此僅由早期氨基酸製成的蛋白質如果單獨存在，很可能保持未摺疊狀態。如果關於遺傳密碼進化的這些想法是正確的，那麼地球上的第一個蛋白質摺疊得很差或根本不折疊。後來出現的氨基酸顯然使蛋白質能夠形成結構，為形成鎖和鑰匙酶活性位點奠定了基礎，並使蛋白質在數百萬年的時間裡取代RNA成為所有活細胞中的催化動力源。
雙刃劍
鑑於蛋白質在生物學中的核心地位，它們中的許多與疾病有關也就不足為奇了。蛋白質內在無序的新正規化將深刻影響我們理解和治療人類疾病的方式。
首先，在某些情況下，蛋白質缺乏結構可能是有害的：如果細胞過量產生它們，某些非結構化蛋白質容易混雜在一起並形成斑塊。在大腦中，這種斑塊是幾種毀滅性神經退行性疾病（包括阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病）的主要嫌疑物件。更普遍地說，似乎需要嚴格控制非結構化蛋白質
以避免麻煩：英國劍橋醫學研究委員會分子生物學實驗室的M. Madan Babu領導的對酵母、小鼠和人類進行的大規模研究在2008年表明，與摺疊蛋白質相比，細胞對無序蛋白質的調節更嚴格。
認識到內在無序蛋白質可能與某些疾病有關，也正在為潛在的治療方法帶來新思路。蛋白質-蛋白質相互作用是幾乎所有生物學過程的基礎，因此長期以來一直是藥物發現的有吸引力的靶點，但與針對酶與較小分子相互作用的方法相比，迄今為止收效甚微。與非結構化蛋白質相互作用的蛋白質通常為其夥伴提供錨定點，研究人員可能會利用這些錨定點插入新藥。特別是，阻斷重要的癌症抑制基因與其調節夥伴之一之間相互作用的分子已在實驗動物中顯示出對抗癌症的成功，目前正在人體臨床試驗中。克里瓦奇及其同事正在開發類似的攻擊路線來治療視網膜母細胞瘤，這是一種特別影響兒童的眼癌。早期的動物試驗已取得令人鼓舞的結果。其他實驗室正在進行類似的專案。
對理解蛋白質工作原理感興趣的科學家們開始消除過去以蛋白質功能的鎖和鑰匙模型為代表的偏見。他們正在認識到，某些生物學功能最好由剛性蛋白質執行，而另一些功能最好由高度動態的蛋白質執行。蛋白質結構和功能新時代的曙光有可能改變我們對生命的理解——並且可能拯救生命。