抗冻蛋白新近研究进展及面临的挑战

高媛，田淑琴

(西南民族大学生命科学与技术学院，四川成都 610041)

处于严寒地带的生物由于自然选择而产生了抗冻蛋白从而具有对抗冰冻的能力。抗冻蛋白(Antifreeze proteins，AFPs)是一类在结冰或亚结冰条件下，能抑制冰晶生长从而保护生物有机体免受冰冻伤害的蛋白质，现已从鱼类、昆虫 、植物、细菌和真菌等许多物种中被发现。另外，也可通过低温选育，低温或脱落酸(ABA)诱导等手段获得抗冻蛋白。

一、抗冻蛋白作用机制

只有满足冰必须在胞外形成，且冰晶的大小及形状受到控制这两个条件，抗冻生物才能免受冷冻的伤害。要了解抗冻蛋白的作用机制，首先要明确热滞活性(Thermal hysteresis activity，THA)，即熔点与冰点之差；非依数性，是指冰点的降低决定于AFP的性质而非溶液中分子的数量；重结晶抑制作用(Recrystallization inhibition)。过冷却点在致冷因素持续作用下降至某温度时，过冷状态迅速瓦解发生冻结，该温度即组织的过冷却点。生物学物学研究中常把过冷却点作为生物体抗寒性和抗冻性的重要评价指标。

抗冻蛋白的作用机制尚不清楚，目前有“氢键结合”模型，“表面互补”模型理论等，还需要更进一步的研究。

二、抗冻蛋白的特征

抗冻蛋白保护有机体免受结冰引起的伤害，具有3个基本特征：冰晶形态效应、热滞效应(ThermaHysteresi，TH)、重结晶抑制效应。抗冻蛋白对冰晶形态具有明显的修饰作用, 对冰晶的修饰可改变冰晶的形状，基本上可分为六棱双金字塔和六棱盘或六棱柱这两大类 ，这已经成为检验蛋白质是否具有抗冻活性的一项重要指标。并且，抗冻蛋白通过在冰晶表面的特异性吸附，阻止冰晶的生长，最终产生热滞效应和重结晶抑制作用。

只影响结冰而不影响熔化的特殊的热滞效应是AFPs的重要特征，能使溶液的冰点低于熔点，从而抑制冰晶的生长，特别是在较低的浓度下就有抑制重结晶作用，保护生物免受冻害的影响。另外，抗冻蛋白的产生不仅具有明显的季节性，而且不同种属差异性很大，抗冻蛋白具有很好的热稳定性而且分子和结构具有多样性的特点。

三、抗冻蛋白的类型

抗冻蛋白包括抗冻糖蛋白、抗冻蛋白I、抗冻蛋白Ⅱ、抗冻蛋白Ⅲ、抗冻蛋白Ⅳ。

（一）鱼类抗冻蛋白郝凤霞等研究发现鱼源Ⅲ型抗冻蛋白的浓度在50 mg/ml时抗冻效果最好，在-80℃时基本可以代替甘油用于菌种保存。长角杜夫鱼IV型AFP具有抗冻活性，与大黄鱼相比较既可知其IV型AFP不具有抗冻活性。

（二）昆虫抗冻蛋白目前对于昆虫抗冻蛋白的研究主要集中在黄粉甲、云杉卷叶蛾和赤翅甲累昆虫，对于昆虫抗冻蛋白的克隆和表达是研究抗冻蛋白活性和功能的主要途径，邱立明等研究发现目前在 GenBank注册的昆虫抗冻蛋白基因约100个，集中于9种昆虫隶属鞘翅目3个科和鳞翅目1个科。昆虫抗冻蛋白的天然表达具有物种见和同种型间的多样性的特点。

（三）植物抗冻蛋白植物抗冻蛋白同时具有抗冻、抗病双重功能。植物抗冻蛋白提高植物抗冻性的主要途径不是阻止冰晶的形成，而是调控胞外冰晶的增长及抑制冰的重结晶，避免冰晶增大而产生致死性的机械损伤。

冬黑麦、欧白英、卷心菜、羽衣甘蓝、欧洲云杉、花生、冬小麦、胡萝卜、黑麦草、桃树、沙冬青、唐古特红景天等植物中通过冷诱导分离和鉴定了抗冻蛋白。其中以胡萝卜和冬黑麦抗冻蛋白研究得最为详细，已经分别克隆了它们的编码序列。植物抗寒基因工程主要有两方面的研究，一方面是调控性蛋白基因的导入，调控寒冷信号传导、抗寒基因表达和抗寒蛋白活性；另一方面是与提高植物抗寒性直接相关的功能性蛋白基因的导入。

（四）水产抗冻蛋白对水产抗冻蛋白的研究主要集中在水产脊椎动物抗冻蛋白和水产无脊椎动物和海藻类抗冻蛋白。研究水产抗冻蛋白对于提高水产业的经济价值有很大意义。

（五）细菌及真菌抗冻蛋白细菌及真菌抗冻蛋白的研究目前较少，有待进一步更加深入的研究。

四、讨论

抗寒性是由多基因控制的，而且还与其它环境因子的胁迫发生交叉作用，这就增加了抗寒机制研究的复杂性。在植物抗冻基因工程和细胞低温贮存等方面，植物抗冻蛋白比鱼类抗冻蛋白和昆虫抗冻蛋白具有更大的应用价值。

当然，让抗冻蛋白发挥其独特并广泛的作用，我们还要面临很多挑战。若是能通过基因工程等手段从极地鱼得到足够量的抗冻蛋白，就能够对各种鱼类的养殖进行改进从而获得巨大的经济效益。能否将极地鱼的抗冻蛋白通过基因工程的手段整合到牛、羊猪等常见家畜的体内，从而扩大这类动物的生存环境，进而促进环境向更加生态的方向发展。基因工程表达抗冻蛋白需要克服表达量活性不高的问题。无毒的AFPs在医疗、农业和食品工业领域的应用具有巨大的潜力。有了抗冻蛋白，可保护器官移植过程中的器官以及组织，也能防止冻伤,且可防止农作物受到冻害。总之，对抗冻蛋白进行更深入的的研究，对于提高人类的生活质量具有重大的意义。

（略）