研究人員說，為了追蹤產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì)以及何時產(chǎn)生，只需遵循核糖體“足跡”。研究人員正在跟蹤這些大型分子機(jī)器，追蹤它們的蛋白質(zhì)合成步驟，以確定細(xì)胞如何精確地產(chǎn)生蛋白質(zhì)成分。建造太少可能會擾亂生長，新陳代謝和維持，而太多可能是浪費和潛在的毒性。真核細(xì)胞是否調(diào)整其基因表達(dá)以產(chǎn)生足夠的每種蛋白質(zhì)仍然是一個長期存在的問題。

細(xì)菌似乎產(chǎn)生了功能所需的確切水平 - 不多也不少。然而，更復(fù)雜的生物體具有不同的代謝需求，控制基因表達(dá)的方法以及消除不需要的蛋白質(zhì)的方法，可能產(chǎn)生不同的策略以確保正確的蛋白質(zhì)水平。麻省理工學(xué)院生物系的兩位科學(xué)家利用他們自己的實驗和開放獲取數(shù)據(jù)庫的組合，旨在確定來自萌芽酵母，斑馬魚，小鼠和人類等生物的細(xì)胞如何精確調(diào)節(jié)其蛋白質(zhì)產(chǎn)量。這些真核細(xì)胞是否產(chǎn)生精確量的蛋白質(zhì)，或者它們是否產(chǎn)生大致正確的量并依賴于降解等過程來修剪多余的蛋白質(zhì)?

為了回答這個問題，研究人員改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)，稱為核糖體分析，通過跟蹤核糖體足跡來量化蛋白質(zhì)合成率。他們很有興趣發(fā)現(xiàn)，對于他們研究的蛋白質(zhì)，真核生物就像細(xì)菌一樣精確地調(diào)節(jié)它們的蛋白質(zhì)產(chǎn)生。盡管這些生物之間存在根本差異，但它們共享了一個基本策略。

“我們傾向于將基因表達(dá)視為生產(chǎn)線，將遺傳信息轉(zhuǎn)化為定義明確的蛋白質(zhì)機(jī)器，”生物學(xué)助理教授，該研究的高級作者Gene-Wei Li說。“但實際上，尚不清楚所有生物體或所有細(xì)胞是否都在相同的蛋白質(zhì)生產(chǎn)原理下運作。本研究的動力是了解蛋白質(zhì)是否在真核生物中與細(xì)菌一樣精確制造，同時也解決了模糊性問題。用于測量蛋白質(zhì)合成率的現(xiàn)有方法。“

研究生詹姆斯·塔格特是這項研究的第一作者，該研究于12月12 日出現(xiàn)在Cell Systems雜志上。

明顯的比例合成案例

2014年，李仍然是加州大學(xué)舊金山分校的博士后，他和他的同事開始測量細(xì)菌中的蛋白質(zhì)合成率。他們檢查了大腸桿菌中多蛋白復(fù)合物的亞基，并顯示細(xì)菌在比例合成法則下運作 - 這意味著它們以細(xì)胞功能所需的確切比例產(chǎn)生蛋白質(zhì)。如果由于某種原因細(xì)菌產(chǎn)生過多，則會激活降解途徑以分解這些亞基，但這種過程比調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)豐度的主要方法更能構(gòu)成故障保護(hù)。

在本研究中，Li和Taggart的目標(biāo)是在真核生物中進(jìn)行類似的測量，從萌芽酵母開始。他們在2014年使用了與Li相同的技術(shù) - 核糖體分析 - 但進(jìn)行了一些修改。

核糖體分析于2009年開發(fā)，允許研究人員在一個時刻捕獲哪些mRNA被翻譯的快照。通過使用能夠確切地阻止核糖體進(jìn)入其軌道的藥物，科學(xué)家們可以將這些分子機(jī)器凍結(jié)到位，并摧毀任何未受保護(hù)的mRNA，這些mRNA未被停滯的核糖體占據(jù)(并因此被屏蔽)。可以對mRNA片段(核糖體足跡)進(jìn)行測序以提供識別正在制備哪種蛋白質(zhì)的條形碼。這種足跡的密度揭示了每種蛋白質(zhì)相對于其他蛋白質(zhì)的合成速率。

雖然核糖體分析徹底改變了我們在整個基因組中測量蛋白質(zhì)合成的能力，但有時很難將每個mRNA片段映射回其在基因組內(nèi)的原始位置和它所對應(yīng)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。一個基因的一部分可以具有與編碼完全獨立的蛋白質(zhì)的另一個基因相同的序列。

這里是Taggart略微調(diào)整這種方法的地方：他在分析中排除了這些模糊的mRNA片段，并且只計算了他可追溯到特定蛋白質(zhì)的獨特核糖體足跡。然后，他將核糖體足跡的數(shù)量除以基因的長度，減去模糊序列和非編碼內(nèi)含子區(qū)域。雖然更常見的分析方法未能準(zhǔn)確地解釋這些模糊的足跡，但Taggart只考慮了他所謂的“有意義”的足跡，他可以將其映射到基因組上的特定區(qū)域。結(jié)果，他的修改產(chǎn)生了更精確的合成率。

他最終策劃了酵母中大約500種蛋白質(zhì)的綜合清單，包含約100種不同的蛋白質(zhì)復(fù)合物。當(dāng)他監(jiān)測酵母的蛋白質(zhì)產(chǎn)量時，似乎他們只產(chǎn)生了適量的亞基來完成復(fù)合物 - 不多也不少。這是比例合成的明顯例子。

蛋白質(zhì)過載

一旦他們微調(diào)了他們量化蛋白質(zhì)生產(chǎn)的方法，研究人員就想知道如果他們擾亂細(xì)胞的仔細(xì)合成平衡會發(fā)生什么。真核生物是否有廣泛的機(jī)制來調(diào)節(jié)它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)量?

雖然酵母通常只有16條染色體，但在Angelika Amon實驗室的幫助下，研究人員一次一個地復(fù)制它們中的每一條，因此細(xì)胞將有能力使用來自額外染色體的遺傳信息構(gòu)建兩倍的蛋白質(zhì)。在人類中，這種稱為非整倍性的不平衡可導(dǎo)致唐氏綜合癥等疾病。

酵母沒有啟動任何內(nèi)部通信來關(guān)閉轉(zhuǎn)錄或翻譯水平的操作，而不是檢測過量的蛋白質(zhì)并隨后減少產(chǎn)量。這與在某些細(xì)菌中觀察到的情況相反。

“有趣的是，細(xì)菌和酵母都能產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)，”Taggart說，“盡管它們確保精確合成的方式不同。許多細(xì)菌基因都具有酵母似乎缺乏的負(fù)反饋環(huán)。”

利用來自開放獲取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，研究人員還確定了高等真核生物中的比例合成，包括斑馬魚，小鼠和人類，他們從三種大型高度保守的蛋白質(zhì)復(fù)合物中檢查了亞基。盡管生物體之間存在明顯的生理和遺傳差異，但復(fù)合物以恰當(dāng)?shù)谋壤a(chǎn)生。唯一的例外是在斑馬魚胚胎發(fā)育期間，研究人員得出結(jié)論，蛋白質(zhì)產(chǎn)量可能不成比例。這表明比例合成的要求可能隨著生物體的壽命而變化，這取決于年齡，養(yǎng)分可用性和壓力。

“也許這種精確性是我們可以從生物學(xué)中學(xué)到的東西，”李說。他解釋說，一旦研究人員完全了解細(xì)胞如何微調(diào)其蛋白質(zhì)產(chǎn)生，他們就可以將這些知識用于設(shè)計自己的分子和途徑。

馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子，細(xì)胞和癌癥生物學(xué)助理教授愛德華多托雷斯說，這些要求從細(xì)菌到人類都是保守的，“這表明生產(chǎn)蛋白質(zhì)的進(jìn)化壓力是細(xì)胞生物學(xué)的一個基本方面。 “

“下一步將是了解蛋白質(zhì)復(fù)合物平衡合成背后的機(jī)制，”托雷斯說，他沒有參與這項研究。“整合基因表達(dá)調(diào)控的幾個方面的知識的未來研究將有必要了解細(xì)胞如何微調(diào)特定復(fù)合體的每個亞基的表達(dá)。”

Taggart還發(fā)現(xiàn)他們的研究結(jié)果從進(jìn)化的角度來看是引人注目的。“看來真核生物也在壓力下進(jìn)化，以實現(xiàn)這種比例合成，即使它們在許多其他方面與細(xì)菌不同，”他說。“在生命的各個領(lǐng)域，蛋白質(zhì)合成既是擴(kuò)散的引擎，也是調(diào)節(jié)的樞紐。”