华人学者《Cell》发文报道细胞惊天秘密:一致的产酶量

【字体: 时间:2018年04月02日 来源:生物通

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  原来,所有生命都共享一个设计原则。麻省理工学院生物学系助理教授Gene-Wei Li团队发现,大相径庭的不同细胞类型存在基本的相似性和物种间一致性,这种属性能随时间推移不断调整完善。更具体地说,所有细胞的特化蛋白质(酶)的比例都是相同的!

  

原来,所有生命都共享一个设计原则。

通过研究细菌和酵母,麻省理工学院生物学系助理教授Gene-Wei Li(李劲苇)团队发现,大相径庭的不同细胞类型存在基本的相似性和物种间一致性,这种属性能随时间推移不断调整完善。更具体地说,所有细胞的特化蛋白质(酶)的比例都是相同的!


因为有酶,细胞才能生长和分裂。天然酶混合物每秒可生产数百万次化学反应,它们们是高效的流水线,一个化学反应的产物是其他化学反应的起始物质,不同反应之间对接得严丝合缝。

烤蛋糕时,食谱是提前准备好的;制备琼脂糖凝胶时,配料表是预先打印出来的。

原料比例非常重要。几十年来,科学家们一直在想,细胞为了协同不同化学反应,各个途径上的酶的相对含量是否受到严格控制。直到今天,Li教授团队终于发现了所有细胞共享的相同酶配方。

“这种酶组合为什么是最理想的?这个问题我们还没有解决。但是,一个全新的生物学领域已经诞生:我们称它为途径的系统级优化(systems level optimization of pathways)。在这门学科中,研究人员可以研究细胞复杂环境下不同酶和途径的行为,”李教授说,他是这篇《Cell》的通讯作者,文章一作是MIT物理系研究生Jean-Benoît Lalanne。

100多年来,生物学家在试管中观察酶催化化学反应,再用先进的X射线观察酶的分子结构,从而研究酶的功能。

然而,尽管我们已经对单个蛋白质进行了很多细致研究,却仍不了解细胞内酶的基本属性。例如预测为了生存几率最大化,细胞会生产多少计量的酶。

这几乎不可计算,因为答案不仅取决于酶的具体功能,还取决于它的活动对其他生化反应和酶会产生什么连锁反应。

“对生化途径的思考更为复杂,如果我们给生化学家某个途径的3种酶,比如糖分解途径,他们可能并不知道按什么比例混合这三种酶才能优化反应,”Li教授说。

对物质的相对量研究被称为“化学计量学(stoichiometry)”。为了探讨不同类型细胞的酶计量,Li教授团队分析了大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和产钠弧菌三种细菌以及酿酒酵母。

他们比较了细胞内21种担负不同任务(修复DNA、生产脂肪酸、糖酵解等)的酶的数量。研究人员发现,具有不同细胞结构、生活在不同环境中的酵母和细菌的所有细胞内途径的酶计量几乎完全相同。

Li教授团队进一步追查了控制酶产量的2个过程:1. mRNA调节的转录环节;2. 核糖体解码mRNA为蛋白质的翻译环节。

他们找到了不同细菌生产相同途径中的酶时所产生的mRNA数量差异。理论上不同数量的mRNA往往产生不同数量的蛋白质,然而,研究人员发现,不同类型细胞可以通过改变翻译速率补偿转录差异:mRNA生产多的细胞蛋白质合成速度变慢,反过来,mRNA生产较少的细胞则会加快蛋白质的合成。由于这种补偿作用,不同细胞的酶计量得以保持不变。

“大肠杆菌和枯草芽孢杆菌需要相同数量的蛋白质。当我们检查细菌的基因簇时,这真令人吃惊,”Lalanne说。“在漫长的进化长河中,基因改变了位置,序列也发生了不同程度的变异,基因组不断被随机插入的移动DNA碎片轰击。尽管如此,细菌仍然能通过调整翻译维持酶的化学计量来补偿这些遗传变化。这展现了进化的力量,但我们还不能完全了解这些塑造细胞携带相同酶计量的神秘力量。”

Gene-Wei Li

未来,Li教授打算测试人类细胞蛋白质是否也存在普遍的固定计量。像自然界的其他物理和数学模式,如贝壳螺旋或树木分枝,酶的化学计量学可能也是一种广泛的生命设计原则。

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原文检索:Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry

(生物通:伍松)

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