自我生产的优化可以解释核糖体的神秘特征

优化自产可以解释核糖体的主要特征，细胞的蛋白质生产工厂，报告了哈佛医学院的研究人员在性质上7月20日。在一项新的研究中，由哈佛医学院系统生物学教授Johan Paulsson领导的研究小组在数学上证明了核糖体的结构精确，可以尽快产生额外的核糖体，以支持有效的细胞生长和分裂。

该研究的理论预测准确地反映了观察到的核糖体的大规模特征- 揭示了为什么它们由异常大量的小的，均匀大小的蛋白质和一些大小差异很大的RNA组成，并提供了一个关于特殊的分子机器。

“核糖体是所有生命中最重要的分子复合物之一，几十年来它一直在科学学科中进行研究，”Paulsson说。“我总是感到困惑的是，似乎我们可以解释其更精细的细节，但核糖体具有这些奇怪的特征，这些特征往往没有得到解决，或者如果是这样的话，还是以不令人满意的方式解决。”

每个活细胞，无论是单个细菌还是人类神经元，都是一个像任何城市一样充满活力和复杂的生物系统。细胞内含有墙壁，高速公路，发电厂，图书馆，回收中心等等，所有这些都齐心协力，以确保生命的延续。

绝大多数这些无数结构由蛋白质制成并由蛋白质制成。这些蛋白质是由核糖体制成的。

神秘的功能

虽然科学家们已经解开了核糖体如何在原子分辨率下将遗传信息转化为蛋白质，但揭示了一种精确调整精确度，速度和控制的分子机器，但尚不清楚它的一些大规模特征有哪些优势。

核糖体由令人费解的大量不同结构蛋白组成 - 从55到80，取决于生物类型。这些蛋白质不仅比预期的要多，而且它们的长度非常短且均匀。核糖体也由两到三条RNA组成，占核糖体总质量的70%。

“不理解为什么存在集体特征，这有点像看森林，了解叶绿体和光合作用是如何工作的，而不能解释为什么有树而不是草，”Paulsson说。

因此，Paulsson和他的合作者，HMS博士后研究员Shlomi Reuveni和瑞典乌普萨拉大学的MånsEhrenberg决定以不同的眼光看待核糖体。

“我们的突破来自原子，从新的角度看核糖体，”Reuveni说。“我们没有想到核糖体是一种产生蛋白质的机器，而是蛋白质生产过程的产物。”

森林里的树木

对于要分裂的细胞，它必须具有两组完整的核糖体来制备子细胞所需的所有蛋白质。因此，核糖体自身的速度对细胞分裂的发生速度提出了严格的限制。Paulsson和他的同事们设计了理论数学模型，证明如果速度是驱动其进化的主要选择压力，核糖体的特征应该是什么样子。

该团队计算出，在许多核糖体中分配制造新核糖体的任务 - 每个核糖体都是最终产品的一小部分 - 可以将生产率提高多达30%，因为每个新的核糖体有助于尽快制造更多的核糖体。它们被创造出来，加速了这个过程。

对于需要快速分裂的细胞，例如细菌，这代表了巨大的优势。然而，根据数学计算，蛋白质生产过程需要时间来启动，并且这种开销成本限制了核糖体可以制成的蛋白质的数量。

该团队的模型预测，为了获得最大的自我生产功效，核糖体应该由40到80种蛋白质组成。这些蛋白质中的每一种都应该比平均细胞蛋白质小三倍，并且它们的大小应该大致相似。

事实证明，完全独立于实验室开发的研究人员的理论准确地反映了观察到的核糖体蛋白质组成。

“我们的研究结果的一个类比是将核糖体想象成不仅仅是一群木匠，他们只是建造了很多房屋，而是作为木匠也建造了其他木匠，”Paulsson说。“然后有动力将工作分成许多小块，可以同时完成，以便更快地组装另一个完整的木匠来帮助完成这个过程。”

理论与现实

Paulsson和他的同事们还研究了核糖体RNA，它充当结构成分，并发挥核糖体将氨基酸连接成蛋白质的酶活性。

他们的分析表明，核糖体制成的RNA越多，它的产生速度就越快。这是因为细胞可以使核糖体RNA比蛋白质快得多。因此，尽管认为RNA酶的效率低于蛋白质酶，但核糖体在使用尽可能多的RNA时具有巨大的压力，以最大化可以制造更多核糖体的速率。

“任何使用RNA的核糖体都可以逃脱的地方，它应该使用它，因为自我生产速度基本上可以加倍或增加三倍，”Paulsson说。“即使RNA与蛋白质的酶功能相比较差，如果细胞试图尽快生成核糖体，使用RNA仍然有很大的优势。”

据研究小组称，这一观察结果预计主要适用于自产核糖体。细胞中的大多数其他结构不会自我产生，并且可以牺牲生产速度以获得通过使用蛋白质而不是RNA提供的稳定性和功效。

总而言之，该团队的理论准确地预测了生命领域中可见的核糖体的大规模特征。它解释了为什么生长最快的生物，如细菌，具有最短的核糖体蛋白和最大量的核糖体RNA。在光谱的另一端是线粒体 - 真核细胞的能量植物，被认为曾经是进入永久共生状态的细菌。线粒体有自己的核糖体，不会产生自己。没有这种压力，线粒体核糖体确实由较大的蛋白质和比细胞核糖体少得多的RNA组成。

“当我们开始这个项目时，我们没有一长串功能，我们试图通过理论解释，”Reuveni说。“我们从理论开始，出现了某些特征。当我们查看数据与数学预测的数据进行比较时，我们发现在大多数情况下它们与自然界中看到的相匹配。”

研究小组写道，核糖体的不寻常特征似乎反映了另外一层功能优化作用于其各部分的集体属性，而不仅仅是进化过去的遗物。

“虽然这项研究是基础科学，但我们正在解决所有生活中共有的问题，”Paulsson说。“重要的是，我们要了解结构和功能的限制来自哪里，因为像许多基础科学一样，新知识的后果在未来可以释放出来是不可预测的。”