Cell：首次观察到单个核糖体分子的棘轮运动

　　

    研究人员报道，这周他们首次在核糖体分子中看到动态的棘齿样的运动，发生在绘制基因图谱时蛋白构建的过程中。

 

他们的研究结果将发表在《Molecular Cell》上，揭示了生命延续过程中蛋白构建的关键机制。

 

细胞应用多种手段进行蛋白构建，从信使RNA开始，信使RNA是带状的分子，它编码翻译蛋白的氨基酸序列。另一种分子，转运RNA使一种独一无二能阅读这些编码信号的分子，但是它们只在核糖体内被赋予这项能力。转运RNA携带单个的氨基酸进入核糖体，在这里氨基酸被组装成蛋白。还有大量的其他蛋白参与这项工作。

    在蛋白质翻译过程中，单个的转运RNA进入核糖体内一个特定的位点，阅读这些编码并一个接一个地转运氨基酸形成完整的蛋白链。核糖体通过信使RNA的信息指导生产蛋白，从特定的位点释放去酰基的转运RNA。

 

核糖体由两个亚单位组成，里面包含RNA和50中不同功能的蛋白。

 

核糖体曾经被认为是静态的蛋白合成工作台。最新在纽约奥尔巴尼的Wadsworth研究中心的研究表明，使用低温电子显微镜可以看到核糖体的两个亚单位在两个不同的位置上。他们报道说，这两个亚单位的运作依赖于一种蛋白催化剂，名为延伸因子G（EF-G）。

 

在新的研究中，Illinois大学的物理学教授Taekjip Ha使用荧光共振能量转移技术（FRET）观察核糖体亚单位的实时运动状态，这些亚单位在蛋白合成的过程中起重要的作用。研究小组与加利福尼亚大学的Harry Noller合作，加利福尼亚大学提供核糖体方面的专业指导。

 

荧光共振能量转移技术（FRET）使用来荧光作为信号，这些强弱不一的信号由细胞彼此作用决定。研究者用荧光标记核糖体的两个亚单位，可以观察到两个亚单位间的相互运动情况。

 

Ha 和博士后 Peter Cornish观察到标记过的核糖体的信号，他们看到两个亚单位间的自发的来回旋转运动的现象，甚至在缺少延伸因子（EF-G）的情况下也一样。

 

其他的研究者这种来回的旋转运动是由延伸因子（EF-G）诱导产生的，必须在有延伸因子（EF-G）的存在下才能发生。但是Ha说，我们的研究表明在没有延伸因子的情况也有这种来回的运动。实际上，核糖体有自发形成来回旋转的机制，并且十分迅速。

 

研究者在无转运RNA的情况下能看到这种来回旋转运动。核糖体亚单位能自发的发生来回旋转运动，从经典的位置旋转至转后的位置。

    Cornish说，当我们在上单个的转运RNA上加入永久的氨基酸时，核糖体就变成经典的状态（无来回旋转运动）。而当我们清除掉氨基酸后，它又变为自发的来回旋转运动。

    为了更好的了解延伸因子（EF-G）的作用，研究者加入了一个改造过的延伸因子（EF-G），延伸因子的作用是携带正常的能量进入核糖体。改造过的延伸因子只能在来回旋转运动的状态中起作用。

    这些研究结果使研究者们了解延伸因子（EF-G）在蛋白翻译过程中起关键的作用。核糖体亚单位能在位置上进行稳定的旋转运动。

 

这就允许转运RNA分子加上氨基酸并进行蛋白质的合成并释放，为下一个携带信使RNA密码子的转运RNA腾出位置。

 

研究者认为，延伸因子起着关键的作用，它暂时使核糖体在原本的位置上旋转直到去酰基的转运RNA重新进入或是出去。一旦转运RNA完成使命，延伸因子就离开，核糖体从旋转状态回归静止状态，直到下一次重新开始。

 

研究者认为这种棘轮效应允许核糖体提前沿着信使RNA进入蛋白翻译的过程。缺乏延伸因子（EF-G）核糖体亚单位还能相互移位，但是却不能顺着信使RNA合成蛋白。

 

    Ha说，很多研究者认为核糖体是人体细胞里的一个十分重要的细胞器。最令人惊奇的是它有如此复杂和庞大的功能，它能自我运动，能高速的移动在归位。并且这些运动不是无意义的运动，而是十分重要的功能性的运动。

Ha说，我们将用荧光共振能量转移技术进行深入研究，将标记核糖体的亚单位和信使RNA，这将帮助我们了解核糖体如何在信使RNA的帮助下合成蛋白。

 

该研究得到国立科学基金会和国立健康研究所的普通医学基金的资助。Ha是Howard Hughes医学研究所的调查员。

 

关于荧光共振能量转移( FRET)

    荧光共振能量转移( FRET)是指能量从一种受激发的荧光集团(donor 供能),  以非辐射的方式转移到另一种荧光集团(acceptor 受能) 的物理现象，是目前极受到重视的一门高新技术，在生命科学研究中成为一项具有高价值的研究工具。是用于对生物大分子之间相互作用定性、定量检测的一种有效方法。根据所基于的荧光显微镜配置不同而有不同的应用侧重，可在溶液，细胞悬液，多细胞，单细胞，细胞膜，细胞器等不同层次对生物大分子间的相互作用距离，动力学特性等进行研究。(生物通 张欢)