斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的基因表達(dá)調(diào)控層。這一發(fā)現(xiàn)可能會破壞科學(xué)家對細(xì)胞如何調(diào)節(jié)基因以發(fā)展，傳播和執(zhí)行全身特定任務(wù)的理解。研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的工作母機(jī)稱為核糖體，它是負(fù)責(zé)將基因的RNA編碼成蛋白質(zhì)，顯示其組成一個想像以前從未品種，顯著影響它們的功能。特別是，核糖體的蛋白質(zhì)成分用于調(diào)整微小的機(jī)器，使其專門用于相關(guān)細(xì)胞途徑中基因的翻譯。例如，一種類型的核糖體傾向于翻譯參與細(xì)胞分化的基因，而另一種核糖體專門研究執(zhí)行基本代謝功能的基因。

這一發(fā)現(xiàn)令人震驚，因?yàn)檠芯咳藛T幾十年來一直認(rèn)為核糖體的作用就像微小的自動機(jī)一樣，沒有任何偏好，因?yàn)樗鼈儗⑷魏魏退懈浇腞NA分子翻譯成蛋白質(zhì)?，F(xiàn)在看來，蛋白質(zhì)產(chǎn)生的廣泛變異可能不是由數(shù)千個單個基因的表達(dá)水平的變化引發(fā)的，而是通過對核糖體蛋白的小調(diào)整而引發(fā)的。

'廣泛影響'

“這一發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，”發(fā)育生物學(xué)和遺傳學(xué)助理教授Maria Barna博士說。“這些研究結(jié)果可能會改變遺傳密碼如何翻譯的教條。到目前為止，一個細(xì)胞內(nèi)的1到1千萬個核糖體中的每一個都被認(rèn)為是相同的和可互換的?，F(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一個新的基因控制層表達(dá)將對基礎(chǔ)科學(xué)和人類疾病產(chǎn)生廣泛影響。“

Barna是該研究的高級作者，該研究將于6月15日在線發(fā)表在Molecular Cell上。博士后學(xué)者Zhen Shi博士和Kotaro Fujii博士分享了主要作者身份。Barna是紐約干細(xì)胞Robertson調(diào)查員，也是斯坦福大學(xué)Bio-X和兒童健康研究所的成員。

這項(xiàng)工作建立在Barna實(shí)驗(yàn)室之前的一項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，該實(shí)驗(yàn)室于6月1日在Cell上發(fā)表。該研究的主要作者是博士后學(xué)者Deniz Si??msek博士。它表明，核糖體在外殼上積累的蛋白質(zhì)類型也不同。它還鑒定了超過400種核糖體相關(guān)蛋白，稱為RAPs，并表明它們可以影響核糖體功能。

每個生物學(xué)學(xué)生都學(xué)習(xí)如何使用遺傳密碼來管理細(xì)胞生命。從廣義上說，核中的DNA帶有大約20,000個基因的構(gòu)建指令。選擇基因通過落在DNA上的蛋白質(zhì)進(jìn)行表達(dá)，并將DNA序列“轉(zhuǎn)錄”成可以離開細(xì)胞核的短片移動或信使RNA。一旦進(jìn)入細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，RNA就會與核糖體結(jié)合，轉(zhuǎn)化為氨基酸串，稱為蛋白質(zhì)。

每個活細(xì)胞都有多達(dá)1000萬個核糖體漂浮在它的細(xì)胞湯中。這些微型引擎本身就是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包含多達(dá)80個單獨(dú)的核心蛋白和四個RNA分子。每個核糖體具有兩個主要亞基：一個結(jié)合并“讀取”待翻譯的RNA分子，另一個基于RNA藍(lán)圖組裝蛋白質(zhì)。正如細(xì)胞研究中第一次所示，核糖體還收集了稱為RAP的相關(guān)蛋白質(zhì)，它們像圣誕樹飾品一樣裝飾它們的外殼。

'一個更復(fù)雜的場景的暗示'

“直到最近，人們才認(rèn)為核糖體在細(xì)胞中具有重要的后臺作用，只是接受并盲目地翻譯遺傳密碼，”巴納說。“但是在過去的幾年里，有一些有趣的暗示是一個更復(fù)雜的情況。例如，核糖體蛋白突變引起的一些人類遺傳疾病只會影響特定的器官或組織。這一直非常令人困惑。我們想重新審視所有核糖體都相同的教科書概念。“

2011年，Barna實(shí)驗(yàn)室的成員表明，一種核心核糖體蛋白RPL38 / eL38是在發(fā)育過程中對哺乳動物身體計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)模式化所必需的。這種蛋白質(zhì)突變的小鼠出現(xiàn)骨骼缺陷，如額外的肋骨，面部裂縫和異常短，畸形的尾巴。

Shi和Fujii使用稱為選擇反應(yīng)監(jiān)測的定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)來精確計(jì)算從小鼠胚胎干細(xì)胞內(nèi)的核糖體分離的幾種核糖體蛋白中的每一種的量或化學(xué)計(jì)量。他們的計(jì)算表明，并非所有核糖體蛋白質(zhì)總是以相同的量存在。換句話說，核糖體的組成彼此不同。

“我們第一次意識到，就這些蛋白質(zhì)的精確化學(xué)計(jì)量而言，各核糖體之間存在顯著差異，”Barna說。“但是，當(dāng)考慮細(xì)胞的基本方面，它是如何起作用時，這意味著什么呢?”

為了找到答案，研究人員對不同的核糖體蛋白進(jìn)行了標(biāo)記，并利用它們在核糖體翻譯過程中分離RNA分子。結(jié)果不像他們想象的那樣。

“我們發(fā)現(xiàn)，如果比較兩個核糖體群體，它們表現(xiàn)出傾向于翻譯某些類型的基因，”施說。“人們更傾向于翻譯與細(xì)胞代謝相關(guān)的基因;另一種更傾向于翻譯使胚胎發(fā)育所必需的蛋白質(zhì)的基因。我們發(fā)現(xiàn)整個生物途徑以特定核糖體的翻譯偏好為代表。就像核糖體有某種根深蒂固的了解他們喜歡將哪些基因轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。“

研究結(jié)果與Cell論文的結(jié)果相吻合。該論文“表明核糖體比80核心蛋白質(zhì)更多，”Simsek說。“我們將數(shù)百種RAP鑒定為細(xì)胞周期，能量代謝和細(xì)胞信號傳導(dǎo)的組成部分。我們相信這些RAP可能使核糖體更加動態(tài)地參與這些復(fù)雜的細(xì)胞功能。”

加州大學(xué)伯克利分校分子與細(xì)胞生物學(xué)和化學(xué)教授Jamie Cate博士說：“Barna和她的團(tuán)隊(duì)向了解核糖體如何通過觀察哺乳動物的無干擾干細(xì)胞來控制蛋白質(zhì)合成邁出了一大步。” “他們發(fā)現(xiàn)了'內(nèi)置'翻譯調(diào)節(jié)因子的一部分重要mRNA，并且肯定會在其他細(xì)胞中找到更多。這是該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。” 凱特沒有參與這項(xiàng)研究。

從微觀管理基因表達(dá)中釋放細(xì)胞

核糖體在其核心蛋白質(zhì)組分以及它們的相關(guān)蛋白質(zhì)，RAP之間可能存在差異，并且這些差異可以顯著影響核糖體功能，這突出了細(xì)胞可以通過簡單地修飾核糖體來改變其蛋白質(zhì)景觀的方式，以便它們寧愿翻譯一種基因 - 比如參與新陳代謝的基因 - 而不是其他基因。這種可能性將使細(xì)胞免于必須微觀管理涉及個體途徑的數(shù)百或數(shù)千個基因的表達(dá)水平。在這種情況下，可以獲得更多的信使RNA而不是轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，僅僅基于大多數(shù)核糖體所喜歡的，并且這種偏好可以通過僅少數(shù)核糖體蛋白質(zhì)的表達(dá)變化來調(diào)整。

Barna和她的同事現(xiàn)在正計(jì)劃測試某些類型的核糖體在主要細(xì)胞變化過程中是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，例如細(xì)胞在靜息后進(jìn)入細(xì)胞周期，或者干細(xì)胞何時開始分化成更特殊的細(xì)胞類型。他們還想了解更多關(guān)于核糖體如何區(qū)分基因類別的信息。

研究人員表示，雖然這兩篇論文的研究結(jié)果引入了細(xì)胞內(nèi)遺傳調(diào)控的新概念，但它們具有一定的意義。

“大約60%的細(xì)胞能量用于制造和維持核糖體，”巴納說。“回想起來，他們在基因表達(dá)調(diào)控中沒有發(fā)揮作用的想法有點(diǎn)愚蠢。”