Nature文章解答：核糖体怎样优化自身生产

7月20日哈佛大学医学院在《Nature》发表文章，阐述核糖体的自我生产优化理论。 研究人员从数学上论证了核糖体的精确结构允许其尽可能快地构建自己。

　　

文章要点：
1.新研究解释了核糖体不为人知的神秘特性。

2.研究人员从数学出发，证明核糖体的精确结构使其快速组装，从而有效地支持细胞生长。

3.这一理论预测了核糖体的大规模特征，揭示了组成核糖体的一大批“非常小”、“非常均一”的蛋白质和少量“大小各异”的RNA的具体用途。

生物通报道：由哈佛医学院系统生物学教授Johan Paulsson领导的新研究证明，为了尽快生产额外的核糖体，少不了一些精细结构的帮助。这项研究为这一独特分子机器的进化提供了新视角。

“核糖体是最重要的生命分子复合物，有关它的跨学科研究长达几十年，”Paulsson说。“我总是感到困惑，每当我们在细节上对其进行分析解释时，总有些奇怪的特征无法自圆其说，或者说是‘圆’的不够完美。”

蛋白质“工厂”的奇怪特征
在原子分辨率水平，科学家们已得知核糖体把遗传信息转化为蛋白质的方法，揭示了一个在准确度、速度和控制度上良好微调过的分子机器。

根据生物类型，核糖体由55到80个谜一样的结构蛋白组成。这些结构蛋白不仅在数量上比人们最初预测的多，而且还特别短而且长度一致。另外，核糖体的组成结构还包括2到3股RNA，这些RNA占核糖体总质量的70%。这些特征对核糖体的功能有何优势呢？

“这就好比走进一片森林，你知道叶绿体和光合作用是如何工作，却不知道为什么这片地不长草、不长灌木偏偏能长这么多树，”Paulsson说。

所以，Paulsson和他的同事Shlomi Reuveni决定用不同的眼光检查核糖体。“其中一个突破口是不把核糖体看作是‘蛋白质生产机器’，而是把它们看作‘蛋白质生产过程的产物’，” Reuveni说。

木林森
细胞分裂的前提是必须拥有两套制造细胞所需所有蛋白质的核糖体，因此核糖体的生成制约了细胞分裂的速度。Paulsson和同事以速度为首要选择进化压力，设计了理论数据模型来预测核糖体可能的特征。

研究团队计算将制造新核糖体的任务分配给许多核糖体（每个负责生产成品的一小片零件），能使产量增加30%。而新生核糖体被制造出来后也能立即投入“核糖体生产大军”。

对需要快速分裂的细胞（如细菌）来说，这是一个巨大的优势。根据数学估计，蛋白质生产过程需要时间启动，间接时间成本限制了单个核糖体所能生产的蛋白质数量。模型预测，为了达到最大自我生产效率，核糖体的蛋白质组成数目应该是40-80个蛋白质，组成蛋白的平均大小应该比正常细胞蛋白质小3倍左右，且大小均一。

这一计算结果完全独立于具体生物学实验，但却精准地反映了科学家们在核糖体内所观察到的真实情况。

“根据我们的理论，核糖体不仅是建造房子的‘木匠’，它们还是创造其他‘木匠’的‘木匠’，” Paulsson说。“把一项工作分成许多小部分并行完成，可以尽快地组装另一个完整的‘木匠’，投入新一轮生产，这是一个极为高效的工作模式。”

Fluidigm 2亿美金收购的CyTOF单细胞质谱分析平台你想索取详细技术资料吗？

理论联系实际
Paulsson和同事们还研究了不仅充当结构零件，还负责将氨基酸组成蛋白质的核糖体RNA。他们分析，核糖体产生RNA越多，生产速度就越快。原因是，细胞生产核糖体RNA的速度比生产核糖体蛋白质的速度快得多。因此，尽管人们普遍认为RNA酶的效率比蛋白质酶低，但出于生存压力，核糖体必须尽可能地多利用RNA以提高新核糖体的生产速度。“这解释了核糖体结构的另一优势，”Paulsson说。

根据团队预测，这项结果适用于自我生产的核糖体。但是，细胞内绝大多数其他结构无需自我生产，因此可以牺牲生产速度用稳定性和有效性更强的蛋白质代替RNA。

该团队用数学理论准确地预测了核糖体的特征，解释了为什么它是生长最快的生物体，为什么核糖体蛋白长度最短，为什么核糖体RNA最多等问题。另一个证据，作为真核细胞的发电厂（被认为是与人永久共生的细菌，癌细胞线粒体DNA漂移的分子机理）也有自己的核糖体，但却不能自己生产核糖体。没有生产压力的线粒体核糖体由较大的蛋白质构成，内部RNA含量比细胞核糖体少得多。

“虽然这是一项基础研究，但核糖体的组成问题却是所有生命的共有现象，”Paulsson说。“我们需要了解结构和功能的根本原因，与许多基础科学一样，新知识是解锁未来发现的必经之路。”

原文标题：Ribosomes are optimized for autocatalytic production

联川生物宏基因组16S rDNA测序升级，限时促销，索取详细资料