核糖体 颠覆认知！细胞内的核糖体不尽相同

蛋白质合成工厂-核糖体(图片来源:v . ALTONIAN/SCience)

核糖体是细胞内蛋白质生产的重要场所，被称为蛋白质“合成工厂”。当转录产生的mRNA从细胞核出来时，核糖体会与之结合，在tRNA的帮助下开始翻译过程，形成蛋白质。在真核生物的进化过程中，核糖体的大小也显著增加，主要由rRNA和蛋白质组成。

许多科学家认为，这个蛋白质生产的关键车间是一样的，他们每个人都可以生产身体所需的任何一种蛋白质。现在，一项研究提出了不同的结论:一些核糖体是异质的，它们产生的蛋白质是非常固定的。这些定制的核糖体可以帮助细胞控制蛋白质的表达，也可以帮助解释一些罕见的疾病症状，这些症状可能与特定的核糖体缺陷有关。

核糖体:蛋白质生产车间

一个哺乳动物细胞可能包含多达一千万个核糖体。细胞需要贡献60%的能量，以RNA和80多种不同类型的蛋白质为原料构建核糖体。这无疑是一个“昂贵”的过程，但这是必要的，因为核糖体是蛋白质生产不可或缺的。

以前的研究表明，核糖体对mRNA不“挑剔”，没有“亲和力”，所以可以合成所有的蛋白质。但是几十年的研究已经暗示了核糖体的多样性和异质性。

早在2011年，斯坦福大学的分子与发育生物学家玛利亚·拜尔娜(Maria)带领一个团队在《细胞》(Cell)杂志上发表了一篇文章，揭示了一个现象:当小鼠体内的某个核糖体蛋白缺失时，这类小鼠的尾巴会很短，会出现多余的肋骨等缺陷。这种发育缺陷模型表明核糖体蛋白的缺失会干扰与胚胎发育相关的特异性蛋白的产生。

然而，关于“核糖体定制”的争论并没有取得实质性的进展。科学家很难准确测量核糖体组成蛋白的水平。

一个新的细胞揭示了核糖体的定制

五年后，玛丽亚·拜尔娜的团队打破瓶颈，再次在《细胞》杂志上发表文章，揭示了这一领域的重要突破。

他们以小鼠胚胎干细胞为材料，通过质谱测定了15种核糖体蛋白的浓度，发现9种蛋白是所有核糖体共有的。然而，30%-40%的核糖体缺少另外四种蛋白质。这意味着所有这些核糖体都是独一无二的。

随后，他们还对剩下的76种核糖体蛋白进行了大规模分析，证实了7种蛋白之间的差异足以显示核糖体的异质性。

这些定制的核糖体负责哪些蛋白质？拜尔娜团队使用核糖体作图技术来检测与核糖体结合的mRNAs，从而确定它们的蛋白质产物。结果表明，异质蛋白质通常负责产生执行特定任务的蛋白质。例如产生特定参与发育的蛋白质。

当核糖体合成功能有缺陷时，就会引起一些罕见的症状。这些临床特征统称为核糖体病变疾病，如钻石-布莱克凡贫血(DBA)，一种先天性再生障碍性贫血，其特征是巨幼细胞性贫血，但少数患者会伴有身体其他部位的出生缺陷，如小头畸形、拇指畸形或缺失。这些看似无关的异常可能是由一个原因引起的——细胞在胚胎发育过程中携带相同的特定核糖体。

拜尔娜的团队认为，正常细胞可以通过调节特定核糖体的数量来控制蛋白质的表达。这是另一种控制蛋白质表达的方法。为什么细胞需要不同的机制来控制基因表达？目前尚不清楚，但这些机制可以帮助细胞应对不同的环境变化。

然而，加州大学圣克鲁斯分校的分子生物学家哈里·诺尔勒(Harry Noller)怀疑细胞已经进化出了调节蛋白质表达的特定核糖体。他说:“对于细胞来说，合成核糖体的成本非常高。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，而不是构建一个定制版本。”

参考文献:

每个细胞中有数百万个蛋白质工厂。令人惊讶的是，它们并不都一样