颠覆认知!细胞内的核糖体不尽相同

医疗健康 来源:生物探索
2017
06/23
15:51
生物探索 医疗健康

核糖体是细胞内蛋白质生成的重要场所,有着蛋白质“合成工厂”之称。当经由转录过程生成的mRNA从细胞核出来后,核糖体会与之结合,并在tRNA的协助下启动翻译过程形成蛋白质。在真核生物的进化过程中,核糖体的大小也明显增加,主要由rRNA和蛋白质构成。

很多科学家认为,这一生成蛋白质的关键车间都是相同的,它们中的每一个都可以生成机体所需要的任何一种蛋白质。现在,一项研究却提出了不一样的结论:一些核糖体存在异质性,他们生产的蛋白质很固定。这些定制的核糖体能够协助细胞控制蛋白质的表达,它们也可以帮助解释一些罕见的疾病症状——可能与特定的核糖体缺陷有关。

核糖体:蛋白质生成车间

一个哺乳动物细胞内可能含有多达1000万个核糖体。细胞需要贡献出60%的能量,以RNA和80多种不同类型的蛋白质为原材料,构建出核糖体。这无疑是一个“高代价”的过程,但是却是必要的,因为核糖体对于蛋白质的生成不可或缺。

过去的研究认为,核糖体对mRNA没有“挑剔”,无“亲疏之分”,因此它们能够合成所有蛋白质。但是几十年的研究已经暗示过核糖体的多样性和异质性的特征。

早在2011年,斯坦福大学的分子和发育生物学家Maria Barna带领团队在《Cell》期刊发表文章揭示了一种现象:当小鼠体内的某一种核糖体蛋白质欠缺时,这类小鼠的尾巴会很短,会发育出多余的肋骨以及其他缺陷。这一发育缺陷模型表明,核糖体蛋白的缺失会干扰其产生与胚胎发育相关的特定蛋白质。

但是,“核糖体定制化”的争论一直未有实质性进展。科学家们很难精确测量核糖体构成蛋白的水平。

新一篇Cell揭示核糖体定制化

5年后,Maria Barna团队打破瓶颈,再一次在《Cell》期刊发表文章揭示这一领域的重要突破。

他们以小鼠胚胎干细胞为材料,借助质谱分析测量15种核糖体蛋白的浓度时发现,其中9种蛋白质是所有核糖体所共有的。但是,30%-40%的核糖体缺少另外4种蛋白质。这意味着,这一类核糖体都是独特的。

随后,他们对其余76种核糖体蛋白也进行了大规模分析,证实7种蛋白质差异足以表明核糖体的异质性。

这些定制的核糖体专门负责哪些蛋白的生成呢?Barna团队采用核糖体图谱技术检测与核糖体结合的mRNAs,从而确定其蛋白产物。结果显示,异质化的蛋白质往往负责生成执行特定任务的蛋白质。例如生成专门参与发育的蛋白质。

当核糖体合成功能出现缺陷时,它会引发一些罕见症状。这些临床特征统称为核糖体病变(ribosomopathies),例如Diamond-Blackfan贫血(DBA),一种先天性再生障碍性贫血症,表现为巨红细胞性贫血,但是少数患者会伴随身体其他部位的出生缺陷,例如小头症、拇指畸形或缺失。这些看起来无关联的异常很有可能都是一个原因造成的——胚胎发育过程中细胞携带相同的特定核糖体。

Barna团队认为,正常的细胞或许可以通过调整特定核糖体的数量控制蛋白质的表达量。这是蛋白质表达控制的另一种途径。为什么细胞需要不同的机制控制基因的表达?目前还不清楚,但是这些机制却能够帮助细胞应对不同的环境变化。

但是,加州大学圣克鲁兹分校的分子生物学家Harry Noller却对细胞进化出调控蛋白表达的特定核糖体表示怀疑。他认为:“对于细胞而言,合成核糖体成本很高。如果细胞需要调整自己的核糖体,最合理的方法是修改一个通用版本的核糖体,而不是构建定制版。”

来源:生物探索

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