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Nature:揭示核糖体通过结构上的精确优化制造自我机制

来源:本站原创 2017-07-22 17:17


模拟的核糖体(白色和紫色的亚基)加工一个氨基酸(绿色),图片来自Los Alamos National Laboratory。

2017年7月22日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院和瑞典乌普萨拉大学的研究人员利用数学方法证实核糖体在结构上的精确优化尽可能快地产生更多的核糖体,以便促进细胞高效地生长和分裂。核糖体是细胞的蛋白制造工厂。相关研究结果于2017年7月19日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Ribosomes are optimized for autocatalytic production”。

这项研究的理论预测准确地反映了观察到的核糖体大尺寸特征(large-scale feature),并且为一种出色的分子机器进化提供新的视角。

论文通信作者、哈佛医学院系统生物学教授Johan Paulsson说,“核糖体是所有生命中最为重要的分子复合体之一,而且几十年来,它已在不同的学科中得到研究。我们吃惊地观察到我们似乎能够解释它的更加细致的细节,但是核糖体具有的这些奇特的特征经常未被解释,或者即便能够解释,但也是以一种令人不满意的方式。”

细胞中的很多结构(如细胞壁、溶酶体、核糖体、线粒体等)是由蛋白组成的和由蛋白制造出来的。这些蛋白是由核糖体制造出的。

神秘的特征

尽管科学家们已在原子分辨率上揭示出核糖体如何将遗传物质转化为蛋白,以及核糖体需要在准确性、速度和控制上加以精确调整,但是并不清楚的是,它的几种大尺寸特征具有哪些优势。

依赖于有机体类型,核糖体由非常多数量的不同结构蛋白(55~80种)和两到三个RNA链组成。这些结构蛋白不仅比期待中的更多,而且它们通常较短,具有统一的长度。这些RNA在大小上差异极大,占核糖体总质量的高达70%。

Paulsson说,“若不理解核糖体总体特征为何存在,这有点像是观察森林和理解叶绿体和光合作用如何工作,却不能够解释为何存在树而不存在草。”

因此,Paulsson和他的合作们Shlomi Reuveni(哈佛医学院的一名博士后胡研究员)、乌普萨拉大学的Måns Ehrenberg决定以一种不同的角度研究核糖体。

整体角度

当一个细胞在发生分裂时,它必须具有两套完整的核糖体来制造子细胞需要的所有蛋白。因此,核糖体能够制造自我的速度就严格限制了细胞分裂如何快速地发生。Paulsson和他的同事们构建出理论上的数学模型来解释如果速度是促进核糖体进化的主要选择性压力,那么它的特征看起来应当像什么。

Paulsson团队计算出在很多核糖体中,分配制造一个新的核糖体的任务能够将制造速度增加30%,这是因为一旦被制造出来,每个新的核糖体协助制造更多的核糖体,从而加快这种过程。

对需要快速分裂的细胞(如细菌)而言,这代表着一种巨大的优势。然而,根据这些数学模型,这种蛋白制造过程需要时间来启动,而且这种间接成本限制了组成核糖体的蛋白数量。

Paulsson团队构建出的数学模型预测,为了保持最大的自我制造效率,一个核糖体应当由40~80个蛋白组成。每个这样的蛋白应当比细胞蛋白平均小3倍,而且它们应当在大小上都是相类似的。

结果证实Paulsson团队的理论虽然是完全不依赖于实验室开发出来的,但是准确地反映了观察到的核糖体的蛋白组成。

理论和现实

Paulsson和他的同事们也研究了核糖体RNA(rRNA),rRNA作为核糖体的一种结构组分发挥作用,执行着核糖体将氨基酸连接在一起形成蛋白的酶活性。

他们的分析表明核糖体由更多的RNA组成,它就能够被更快地制造出来。这是因为相比于制造蛋白,细胞能够更快地制造rRNA。因此,尽管RNA酶被认为不如蛋白酶那么高效,但是核糖体有大量的压力来尽可能多地使用RNA以便使得能够让制造更多核糖体的速度最大化。

Paulsson说,“在核糖体能够侥幸使用RNA的任何地方,就应当使用,这是因为自我制造速度实际上能够增加2~3倍。即便就酶功能而言,RNA不如蛋白,但是如果细胞试图尽可能快地产生核糖体,使用RNA仍然有巨大的优势。”

根据Paulsson团队的说法,预计这种观察结果主要适用于能够自我制造的核糖体。细胞中的很多其他结构并不自我制造,而且能够为了使用蛋白(而不是RNA)提供的稳定性和效率牺牲制造速度。

归纳在一起,Paulsson团队的理论准确地预测核糖体的大尺度特征。它解释了为何生长最为快速的有机体(如细菌)具有最短的核糖体蛋白和最高数量的rRNA。相反的是,作为真核细胞的能量工厂,线粒体一度被认为是进入一种永久性共生状态的细菌。线粒体有它们自己的不会自我制造的核糖体。相比细胞中的核糖体,线粒体中的核糖体因缺乏这种压力,确实由更大的蛋白和更少的RNA组成。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Shlomi Reuveni, Måns Ehrenberg & Johan Paulsson. Ribosomes are optimized for autocatalytic production. Nature, Published online 19 July 2017, doi:10.1038/nature22998

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