跟踪蛋白质合成的足迹

研究人员说，为了追踪产生哪些蛋白质以及何时产生，只需遵循核糖体“足迹”。研究人员正在跟踪这些大型分子机器，追踪它们的蛋白质合成步骤，以确定细胞如何精确地产生蛋白质成分。建造太少可能会扰乱生长，新陈代谢和维持，而太多可能是浪费和潜在的毒性。真核细胞是否调整其基因表达以产生足够的每种蛋白质仍然是一个长期存在的问题。

细菌似乎产生了功能所需的确切水平 - 不多也不少。然而，更复杂的生物体具有不同的代谢需求，控制基因表达的方法以及消除不需要的蛋白质的方法，可能产生不同的策略以确保正确的蛋白质水平。麻省理工学院生物系的两位科学家利用他们自己的实验和开放获取数据库的组合，旨在确定来自萌芽酵母，斑马鱼，小鼠和人类等生物的细胞如何精确调节其蛋白质产量。这些真核细胞是否产生精确量的蛋白质，或者它们是否产生大致正确的量并依赖于降解等过程来修剪多余的蛋白质?

为了回答这个问题，研究人员改进了现有技术，称为核糖体分析，通过跟踪核糖体足迹来量化蛋白质合成率。他们很有兴趣发现，对于他们研究的蛋白质，真核生物就像细菌一样精确地调节它们的蛋白质产生。尽管这些生物之间存在根本差异，但它们共享了一个基本策略。

“我们倾向于将基因表达视为生产线，将遗传信息转化为定义明确的蛋白质机器，”生物学助理教授，该研究的高级作者Gene-Wei Li说。“但实际上，尚不清楚所有生物体或所有细胞是否都在相同的蛋白质生产原理下运作。本研究的动力是了解蛋白质是否在真核生物中与细菌一样精确制造，同时也解决了模糊性问题。用于测量蛋白质合成率的现有方法。“

研究生詹姆斯·塔格特是这项研究的第一作者，该研究于12月12 日出现在Cell Systems杂志上。

明显的比例合成案例

2014年，李仍然是加州大学旧金山分校的博士后，他和他的同事开始测量细菌中的蛋白质合成率。他们检查了大肠杆菌中多蛋白复合物的亚基，并显示细菌在比例合成法则下运作 - 这意味着它们以细胞功能所需的确切比例产生蛋白质。如果由于某种原因细菌产生过多，则会激活降解途径以分解这些亚基，但这种过程比调节蛋白质丰度的主要方法更能构成故障保护。

在本研究中，Li和Taggart的目标是在真核生物中进行类似的测量，从萌芽酵母开始。他们在2014年使用了与Li相同的技术 - 核糖体分析 - 但进行了一些修改。

核糖体分析于2009年开发，允许研究人员在一个时刻捕获哪些mRNA被翻译的快照。通过使用能够确切地阻止核糖体进入其轨道的药物，科学家们可以将这些分子机器冻结到位，并摧毁任何未受保护的mRNA，这些mRNA未被停滞的核糖体占据(并因此被屏蔽)。可以对mRNA片段(核糖体足迹)进行测序以提供识别正在制备哪种蛋白质的条形码。这种足迹的密度揭示了每种蛋白质相对于其他蛋白质的合成速率。

虽然核糖体分析彻底改变了我们在整个基因组中测量蛋白质合成的能力，但有时很难将每个mRNA片段映射回其在基因组内的原始位置和它所对应的蛋白质产物。一个基因的一部分可以具有与编码完全独立的蛋白质的另一个基因相同的序列。

这里是Taggart略微调整这种方法的地方：他在分析中排除了这些模糊的mRNA片段，并且只计算了他可追溯到特定蛋白质的独特核糖体足迹。然后，他将核糖体足迹的数量除以基因的长度，减去模糊序列和非编码内含子区域。虽然更常见的分析方法未能准确地解释这些模糊的足迹，但Taggart只考虑了他所谓的“有意义”的足迹，他可以将其映射到基因组上的特定区域。结果，他的修改产生了更精确的合成率。

他最终策划了酵母中大约500种蛋白质的综合清单，包含约100种不同的蛋白质复合物。当他监测酵母的蛋白质产量时，似乎他们只产生了适量的亚基来完成复合物 - 不多也不少。这是比例合成的明显例子。

蛋白质过载

一旦他们微调了他们量化蛋白质生产的方法，研究人员就想知道如果他们扰乱细胞的仔细合成平衡会发生什么。真核生物是否有广泛的机制来调节它们产生的蛋白质量?

虽然酵母通常只有16条染色体，但在Angelika Amon实验室的帮助下，研究人员一次一个地复制它们中的每一条，因此细胞将有能力使用来自额外染色体的遗传信息构建两倍的蛋白质。在人类中，这种称为非整倍性的不平衡可导致唐氏综合症等疾病。

酵母没有启动任何内部通信来关闭转录或翻译水平的操作，而不是检测过量的蛋白质并随后减少产量。这与在某些细菌中观察到的情况相反。

“有趣的是，细菌和酵母都能产生所需的蛋白质，”Taggart说，“尽管它们确保精确合成的方式不同。许多细菌基因都具有酵母似乎缺乏的负反馈环。”

利用来自开放获取数据库的数据，研究人员还确定了高等真核生物中的比例合成，包括斑马鱼，小鼠和人类，他们从三种大型高度保守的蛋白质复合物中检查了亚基。尽管生物体之间存在明显的生理和遗传差异，但复合物以恰当的比例产生。唯一的例外是在斑马鱼胚胎发育期间，研究人员得出结论，蛋白质产量可能不成比例。这表明比例合成的要求可能随着生物体的寿命而变化，这取决于年龄，养分可用性和压力。

“也许这种精确性是我们可以从生物学中学到的东西，”李说。他解释说，一旦研究人员完全了解细胞如何微调其蛋白质产生，他们就可以将这些知识用于设计自己的分子和途径。

马萨诸塞大学医学院分子，细胞和癌症生物学助理教授爱德华多托雷斯说，这些要求从细菌到人类都是保守的，“这表明生产蛋白质的进化压力是细胞生物学的一个基本方面。 “

“下一步将是了解蛋白质复合物平衡合成背后的机制，”托雷斯说，他没有参与这项研究。“整合基因表达调控的几个方面的知识的未来研究将有必要了解细胞如何微调特定复合体的每个亚基的表达。”

Taggart还发现他们的研究结果从进化的角度来看是引人注目的。“看来真核生物也在压力下进化，以实现这种比例合成，即使它们在许多其他方面与细菌不同，”他说。“在生命的各个领域，蛋白质合成既是扩散的引擎，也是调节的枢纽。”