優(yōu)化自產(chǎn)可以解釋核糖體的主要特征，細(xì)胞的蛋白質(zhì)生產(chǎn)工廠，報(bào)告了哈佛醫(yī)學(xué)院的研究人員在性質(zhì)上7月20日。在一項(xiàng)新的研究中，由哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)教授Johan Paulsson領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在數(shù)學(xué)上證明了核糖體的結(jié)構(gòu)精確，可以盡快產(chǎn)生額外的核糖體，以支持有效的細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂。

該研究的理論預(yù)測(cè)準(zhǔn)確地反映了觀察到的核糖體的大規(guī)模特征- 揭示了為什么它們由異常大量的小的，均勻大小的蛋白質(zhì)和一些大小差異很大的RNA組成，并提供了一個(gè)關(guān)于特殊的分子機(jī)器。

“核糖體是所有生命中最重要的分子復(fù)合物之一，幾十年來(lái)它一直在科學(xué)學(xué)科中進(jìn)行研究，”Paulsson說(shuō)。“我總是感到困惑的是，似乎我們可以解釋其更精細(xì)的細(xì)節(jié)，但核糖體具有這些奇怪的特征，這些特征往往沒(méi)有得到解決，或者如果是這樣的話，還是以不令人滿意的方式解決。”

每個(gè)活細(xì)胞，無(wú)論是單個(gè)細(xì)菌還是人類(lèi)神經(jīng)元，都是一個(gè)像任何城市一樣充滿活力和復(fù)雜的生物系統(tǒng)。細(xì)胞內(nèi)含有墻壁，高速公路，發(fā)電廠，圖書(shū)館，回收中心等等，所有這些都齊心協(xié)力，以確保生命的延續(xù)。

絕大多數(shù)這些無(wú)數(shù)結(jié)構(gòu)由蛋白質(zhì)制成并由蛋白質(zhì)制成。這些蛋白質(zhì)是由核糖體制成的。

神秘的功能

雖然科學(xué)家們已經(jīng)解開(kāi)了核糖體如何在原子分辨率下將遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，但揭示了一種精確調(diào)整精確度，速度和控制的分子機(jī)器，但尚不清楚它的一些大規(guī)模特征有哪些優(yōu)勢(shì)。

核糖體由令人費(fèi)解的大量不同結(jié)構(gòu)蛋白組成 - 從55到80，取決于生物類(lèi)型。這些蛋白質(zhì)不僅比預(yù)期的要多，而且它們的長(zhǎng)度非常短且均勻。核糖體也由兩到三條RNA組成，占核糖體總質(zhì)量的70%。

“不理解為什么存在集體特征，這有點(diǎn)像看森林，了解葉綠體和光合作用是如何工作的，而不能解釋為什么有樹(shù)而不是草，”Paulsson說(shuō)。

因此，Paulsson和他的合作者，HMS博士后研究員Shlomi Reuveni和瑞典烏普薩拉大學(xué)的MånsEhrenberg決定以不同的眼光看待核糖體。

“我們的突破來(lái)自原子，從新的角度看核糖體，”Reuveni說(shuō)。“我們沒(méi)有想到核糖體是一種產(chǎn)生蛋白質(zhì)的機(jī)器，而是蛋白質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)物。”

森林里的樹(shù)木

對(duì)于要分裂的細(xì)胞，它必須具有兩組完整的核糖體來(lái)制備子細(xì)胞所需的所有蛋白質(zhì)。因此，核糖體自身的速度對(duì)細(xì)胞分裂的發(fā)生速度提出了嚴(yán)格的限制。Paulsson和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了理論數(shù)學(xué)模型，證明如果速度是驅(qū)動(dòng)其進(jìn)化的主要選擇壓力，核糖體的特征應(yīng)該是什么樣子。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出，在許多核糖體中分配制造新核糖體的任務(wù) - 每個(gè)核糖體都是最終產(chǎn)品的一小部分 - 可以將生產(chǎn)率提高多達(dá)30%，因?yàn)槊總€(gè)新的核糖體有助于盡快制造更多的核糖體。它們被創(chuàng)造出來(lái)，加速了這個(gè)過(guò)程。

對(duì)于需要快速分裂的細(xì)胞，例如細(xì)菌，這代表了巨大的優(yōu)勢(shì)。然而，根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算，蛋白質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程需要時(shí)間來(lái)啟動(dòng)，并且這種開(kāi)銷(xiāo)成本限制了核糖體可以制成的蛋白質(zhì)的數(shù)量。

該團(tuán)隊(duì)的模型預(yù)測(cè)，為了獲得最大的自我生產(chǎn)功效，核糖體應(yīng)該由40到80種蛋白質(zhì)組成。這些蛋白質(zhì)中的每一種都應(yīng)該比平均細(xì)胞蛋白質(zhì)小三倍，并且它們的大小應(yīng)該大致相似。

事實(shí)證明，完全獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的研究人員的理論準(zhǔn)確地反映了觀察到的核糖體蛋白質(zhì)組成。

“我們的研究結(jié)果的一個(gè)類(lèi)比是將核糖體想象成不僅僅是一群木匠，他們只是建造了很多房屋，而是作為木匠也建造了其他木匠，”Paulsson說(shuō)。“然后有動(dòng)力將工作分成許多小塊，可以同時(shí)完成，以便更快地組裝另一個(gè)完整的木匠來(lái)幫助完成這個(gè)過(guò)程。”

理論與現(xiàn)實(shí)

Paulsson和他的同事們還研究了核糖體RNA，它充當(dāng)結(jié)構(gòu)成分，并發(fā)揮核糖體將氨基酸連接成蛋白質(zhì)的酶活性。

他們的分析表明，核糖體制成的RNA越多，它的產(chǎn)生速度就越快。這是因?yàn)榧?xì)胞可以使核糖體RNA比蛋白質(zhì)快得多。因此，盡管認(rèn)為RNA酶的效率低于蛋白質(zhì)酶，但核糖體在使用盡可能多的RNA時(shí)具有巨大的壓力，以最大化可以制造更多核糖體的速率。

“任何使用RNA的核糖體都可以逃脫的地方，它應(yīng)該使用它，因?yàn)樽晕疑a(chǎn)速度基本上可以加倍或增加三倍，”Paulsson說(shuō)。“即使RNA與蛋白質(zhì)的酶功能相比較差，如果細(xì)胞試圖盡快生成核糖體，使用RNA仍然有很大的優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)研究小組稱，這一觀察結(jié)果預(yù)計(jì)主要適用于自產(chǎn)核糖體。細(xì)胞中的大多數(shù)其他結(jié)構(gòu)不會(huì)自我產(chǎn)生，并且可以犧牲生產(chǎn)速度以獲得通過(guò)使用蛋白質(zhì)而不是RNA提供的穩(wěn)定性和功效。

總而言之，該團(tuán)隊(duì)的理論準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了生命領(lǐng)域中可見(jiàn)的核糖體的大規(guī)模特征。它解釋了為什么生長(zhǎng)最快的生物，如細(xì)菌，具有最短的核糖體蛋白和最大量的核糖體RNA。在光譜的另一端是線粒體 - 真核細(xì)胞的能量植物，被認(rèn)為曾經(jīng)是進(jìn)入永久共生狀態(tài)的細(xì)菌。線粒體有自己的核糖體，不會(huì)產(chǎn)生自己。沒(méi)有這種壓力，線粒體核糖體確實(shí)由較大的蛋白質(zhì)和比細(xì)胞核糖體少得多的RNA組成。

“當(dāng)我們開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我們沒(méi)有一長(zhǎng)串功能，我們?cè)噲D通過(guò)理論解釋，”Reuveni說(shuō)。“我們從理論開(kāi)始，出現(xiàn)了某些特征。當(dāng)我們查看數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下它們與自然界中看到的相匹配。”

研究小組寫(xiě)道，核糖體的不尋常特征似乎反映了另外一層功能優(yōu)化作用于其各部分的集體屬性，而不僅僅是進(jìn)化過(guò)去的遺物。

“雖然這項(xiàng)研究是基礎(chǔ)科學(xué)，但我們正在解決所有生活中共有的問(wèn)題，”Paulsson說(shuō)。“重要的是，我們要了解結(jié)構(gòu)和功能的限制來(lái)自哪里，因?yàn)橄裨S多基礎(chǔ)科學(xué)一樣，新知識(shí)的后果在未來(lái)可以釋放出來(lái)是不可預(yù)測(cè)的。”