東京工業(yè)大學(xué)(東京工業(yè)大學(xué))和京都產(chǎn)業(yè)大學(xué)的聯(lián)合研究小組發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)在合成過程中可能會(huì)使核糖體的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定并過早地結(jié)束其自身的合成，并發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象用于適應(yīng)細(xì)胞對(duì)環(huán)境的影響。

蛋白質(zhì)是功能性分子，其支持生命并且是多肽鏈的三維結(jié)構(gòu)，連接的氨基酸鏈。該鏈上的氨基酸構(gòu)型(序列)寫在DNA序列中。形成多肽鏈，其中核糖體(蛋白質(zhì)合成機(jī)制)位于DNA序列(信使RNA)的拷貝上。它根據(jù)遺傳密碼從20種氨基酸中選擇，逐一開始聚合氨基酸。它在鏈終止于核糖體的終點(diǎn)處完成。

在核糖體上合成蛋白質(zhì)的過程稱為“翻譯”，所有生物體(包括人類)的所有蛋白質(zhì)都是通過翻譯產(chǎn)生的。已經(jīng)認(rèn)為，在核糖體連接氨基酸的過程中，連續(xù)合成新形成的多肽鏈(新生鏈)。

在該研究小組和其他研究小組的最近研究中，顯然在翻譯中速度的波動(dòng)顯著發(fā)生 - 一些新生鏈(取決于氨基酸序列)作用于形成它的核糖體以減慢翻譯步驟時(shí)間。

研究成果概述

東京理工大學(xué)的Hideki Taguchi和京都產(chǎn)業(yè)大學(xué)的Koreaki Ito領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)重建大腸桿菌的無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)來翻譯具有約10個(gè)酸性氨基酸序列的蛋白質(zhì)時(shí)(天冬氨酸和谷氨酸)或其中酸性氨基酸和稱為脯氨酸的氨基酸交替連接的序列，當(dāng)這樣的序列被翻譯時(shí)，翻譯在中途停止。這種流產(chǎn)事件發(fā)生在合成氨基酸序列的核糖體由于被新生鏈作用而變得不穩(wěn)定時(shí)(研究人員指定這種“IRD”：“內(nèi)在核糖體去穩(wěn)定化”)。它導(dǎo)致核糖體分裂成大小亞基(圖1)。核糖體具有在細(xì)胞內(nèi)合成數(shù)千或數(shù)萬種蛋白質(zhì)的作用，已被認(rèn)為在連接氨基酸序列的任何組合方面具有指導(dǎo)性。然而，IRD的發(fā)現(xiàn)，其中核糖體在翻譯過程中由新生鏈本身合成而不穩(wěn)定，表明翻譯是隨著潛在的流產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)而進(jìn)展的東西。包含觸發(fā)IRD的氨基酸序列的蛋白質(zhì)不能完成它們的合成。

乍一看，這種IRD現(xiàn)象可能看起來像核糖體的缺陷，但它對(duì)生物體有何意義?

研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體也具有抵抗IRD的機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)使他們使用缺失這種機(jī)制的大腸桿菌突變體，因此核糖體稍微不穩(wěn)定并易于發(fā)生IRD，并分析細(xì)胞內(nèi)的所有蛋白質(zhì)(蛋白質(zhì)組)。結(jié)果，研究小組發(fā)現(xiàn)，在突變體中，與野生菌株相比，許多蛋白質(zhì)的細(xì)胞數(shù)量不同。特別是MgtA，一種膜蛋白將鎂離子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)超過十倍。有趣的是，稱為mgtL并調(diào)節(jié)MgtA表達(dá)的基因具有IRD序列。分析結(jié)果表明，大腸桿菌調(diào)節(jié)MgtA的表達(dá)，使用特殊的機(jī)制，由于mgtL的序列，IRD現(xiàn)象，響應(yīng)細(xì)胞中鎂濃度的變化。

鎂離子是細(xì)胞內(nèi)許多生命過程所必需的，并且是翻譯所必需的，特別是穩(wěn)定核糖體。因此，該研究的結(jié)果表明，大腸桿菌通過使用mgtL的IRD能夠在鎂的生長(zhǎng)環(huán)境變差時(shí)表達(dá)豐富的MgtA，從而獲得維持細(xì)胞鎂離子濃度的機(jī)制。換句話說，生物體具有通過利用IRD現(xiàn)象監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境變化的機(jī)制。

未來的發(fā)展

該研究顯示，除了包含用于確定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的信息，氨基酸序列甚至保持到影響機(jī)械的合成它的穩(wěn)定性和中止翻譯周期中，最終的能力。這進(jìn)一步加深了我們對(duì)生命過程基礎(chǔ)的理解，這些過程得到了遺傳信息的規(guī)范表達(dá)的支持。早期，過早停止翻譯迄今為止，人們還沒有被認(rèn)為是生命科學(xué)中的一個(gè)重要過程。Taguchi和團(tuán)隊(duì)成員相信，他們的成就可以與生命科學(xué)的當(dāng)前繁榮一起擴(kuò)展到各種應(yīng)用，例如新的有用蛋白質(zhì)的生產(chǎn)或生物制藥的開發(fā)。