優(yōu)化自產(chǎn)可以解釋核糖體的主要特征，細胞的蛋白質(zhì)生產(chǎn)工廠，報告了哈佛醫(yī)學院的研究人員在性質(zhì)上7月20日。在一項新的研究中，由哈佛醫(yī)學院系統(tǒng)生物學教授Johan Paulsson領導的研究小組在數(shù)學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，以支持有效的細胞生長和分裂。

該研究的理論預測準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，并提供了一個關于特殊的分子機器。

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

每個活細胞，無論是單個細菌還是人類神經(jīng)元，都是一個像任何城市一樣充滿活力和復雜的生物系統(tǒng)。細胞內(nèi)含有墻壁，高速公路，發(fā)電廠，圖書館，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

雖然科學家們已經(jīng)解開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器，但尚不清楚它的一些大規(guī)模特征有哪些優(yōu)勢。

核糖體由令人費解的大量不同結(jié)構(gòu)蛋白組成 - 從55到80，取決于生物類型。這些蛋白質(zhì)不僅比預期的要多，而且它們的長度非常短且均勻。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而不是草，”Paulsson說。

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的MånsEhrenberg決定以不同的眼光看待核糖體。

“我們的突破來自原子，從新的角度看核糖體，”Reuveni說。“我們沒有想到核糖體是一種產(chǎn)生蛋白質(zhì)的機器，而是蛋白質(zhì)生產(chǎn)過程的產(chǎn)物。”

森林里的樹木

對于要分裂的細胞，它必須具有兩組完整的核糖體來制備子細胞所需的所有蛋白質(zhì)。因此，核糖體自身的速度對細胞分裂的發(fā)生速度提出了嚴格的限制。Paulsson和他的同事們設計了理論數(shù)學模型，證明如果速度是驅(qū)動其進化的主要選擇壓力，核糖體的特征應該是什么樣子。

該團隊計算出，在許多核糖體中分配制造新核糖體的任務 - 每個核糖體都是最終產(chǎn)品的一小部分 - 可以將生產(chǎn)率提高多達30%，因為每個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，加速了這個過程。

對于需要快速分裂的細胞，例如細菌，這代表了巨大的優(yōu)勢。然而，根據(jù)數(shù)學計算，蛋白質(zhì)生產(chǎn)過程需要時間來啟動，并且這種開銷成本限制了核糖體可以制成的蛋白質(zhì)的數(shù)量。

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

事實證明，完全獨立于實驗室開發(fā)的研究人員的理論準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)果的一個類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。“然后有動力將工作分成許多小塊，可以同時完成，以便更快地組裝另一個完整的木匠來幫助完成這個過程。”

理論與現(xiàn)實

Paulsson和他的同事們還研究了核糖體RNA，它充當結(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。這是因為細胞可以使核糖體RNA比蛋白質(zhì)快得多。因此，盡管認為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，它應該使用它，因為自我生產(chǎn)速度基本上可以加倍或增加三倍，”Paulsson說。“即使RNA與蛋白質(zhì)的酶功能相比較差，如果細胞試圖盡快生成核糖體，使用RNA仍然有很大的優(yōu)勢。”

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

總而言之，該團隊的理論準確地預測了生命領域中可見的核糖體的大規(guī)模特征。它解釋了為什么生長最快的生物，如細菌，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 - 真核細胞的能量植物，被認為曾經(jīng)是進入永久共生狀態(tài)的細菌。線粒體有自己的核糖體，不會產(chǎn)生自己。沒有這種壓力，線粒體核糖體確實由較大的蛋白質(zhì)和比細胞核糖體少得多的RNA組成。

“當我們開始這個項目時，我們沒有一長串功能，我們試圖通過理論解釋，”Reuveni說。“我們從理論開始，出現(xiàn)了某些特征。當我們查看數(shù)據(jù)與數(shù)學預測的數(shù)據(jù)進行比較時，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，而不僅僅是進化過去的遺物。

“雖然這項研究是基礎科學，但我們正在解決所有生活中共有的問題，”Paulsson說。“重要的是，我們要了解結(jié)構(gòu)和功能的限制來自哪里，因為像許多基礎科學一樣，新知識的后果在未來可以釋放出來是不可預測的。”