斯坦福大學醫(yī)學院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的基因表達調控層。這一發(fā)現(xiàn)可能會破壞科學家對細胞如何調節(jié)基因以發(fā)展，傳播和執(zhí)行全身特定任務的理解。研究人員發(fā)現(xiàn)，細胞的工作母機稱為核糖體，它是負責將基因的RNA編碼成蛋白質，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，核糖體的蛋白質成分用于調整微小的機器，使其專門用于相關細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，因為研究人員幾十年來一直認為核糖體的作用就像微小的自動機一樣，沒有任何偏好，因為它們將任何和所有附近的RNA分子翻譯成蛋白質?，F(xiàn)在看來，蛋白質產生的廣泛變異可能不是由數(shù)千個單個基因的表達水平的變化引發(fā)的，而是通過對核糖體蛋白的小調整而引發(fā)的。

'廣泛影響'

“這一發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，”發(fā)育生物學和遺傳學助理教授Maria Barna博士說。“這些研究結果可能會改變遺傳密碼如何翻譯的教條。到目前為止，一個細胞內的1到1千萬個核糖體中的每一個都被認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將對基礎科學和人類疾病產生廣泛影響。“

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是紐約干細胞Robertson調查員，也是斯坦福大學Bio-X和兒童健康研究所的成員。

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

每個生物學學生都學習如何使用遺傳密碼來管理細胞生命。從廣義上說，核中的DNA帶有大約20,000個基因的構建指令。選擇基因通過落在DNA上的蛋白質進行表達，并將DNA序列“轉錄”成可以離開細胞核的短片移動或信使RNA。一旦進入細胞的細胞質，RNA就會與核糖體結合，轉化為氨基酸串，稱為蛋白質。

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

'一個更復雜的場景的暗示'

“直到最近，人們才認為核糖體在細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實驗室的成員表明，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劃進行適當模式化所必需的。這種蛋白質突變的小鼠出現(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使用稱為選擇反應監(jiān)測的定量蛋白質組學技術來精確計算從小鼠胚胎干細胞內的核糖體分離的幾種核糖體蛋白中的每一種的量或化學計量。他們的計算表明，并非所有核糖體蛋白質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，就這些蛋白質的精確化學計量而言，各核糖體之間存在顯著差異，”Barna說。“但是，當考慮細胞的基本方面，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行了標記，并利用它們在核糖體翻譯過程中分離RNA分子。結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胞代謝相關的基因;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化為蛋白質。“

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

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

從微觀管理基因表達中釋放細胞

核糖體在其核心蛋白質組分以及它們的相關蛋白質，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，這突出了細胞可以通過簡單地修飾核糖體來改變其蛋白質景觀的方式，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)千個基因的表達水平。在這種情況下，可以獲得更多的信使RNA而不是轉化為蛋白質，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)核糖體蛋白質的表達變化來調整。

Barna和她的同事現(xiàn)在正計劃測試某些類型的核糖體在主要細胞變化過程中是否發(fā)生轉變，例如細胞在靜息后進入細胞周期，或者干細胞何時開始分化成更特殊的細胞類型。他們還想了解更多關于核糖體如何區(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果引入了細胞內遺傳調控的新概念，但它們具有一定的意義。

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