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Cell惊人发现改写生物学教科书

来自约翰霍普金斯大学的研究人员说,他们发现在所有细胞中负责构建蛋白质的分子机器——核糖体有时候甚至会在信使RNA的非翻译区内合成蛋白质,这对长期以来为人们所接受的生物学理论提出了意外的挑战。

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霍华德休斯医学研究所研究员、约翰霍普金斯大学医学院分子生物学与遗传学教授Rachel Green博士说:“这是一个令人兴奋的研究发现,为研究人员带来了一组全新的问题。其中一个主要的问题是,在这种不同寻常的方式下生成的蛋白质是有益还是会损害一些功能,以及在什么条件下会发生这样的情况,这是否有可能让我们更深入地了解癌细胞生长以及细胞响应压力的机制。”
  

在发表于8月13日《细胞》(Cell)杂志上的研究论文中,Green和研究小组总结了她们的酵母细胞研究结果,报告称当核糖体到达mRNA的“终止”信号处而无法被“回收利用”时就会发生这种非典型的蛋白质合成。Green说,原因尚不清楚,“淘气”的核糖体在没有“启动”信号的情况下重启,生成了一些功能未知的小蛋白。
  

核糖体是由一类专门的RNA分子所构成,RNA与蛋白质协同作用读取承载着指令的mRNAs,“翻译”它们的信息生成蛋白质。每条mRNA以“起始”密码子作为开始,接着的是编码特异蛋白质的蓝图,后面有一个“终止”密码子。之后有一段密码,由于科学家们从未看到过这段密码翻译成蛋白质,因此一直将之称作是“非翻译区”。
  

根据Green和博士后研究人员Nicholas Guydosh所说,他们一开始是出于对一种酵母蛋白Rli1感到好奇而启动这一研究的。
  

以往的一些研究表明,Rli1可以将核糖体分成两个组成部分,一旦遭遇到终止密码子便不再需要这些核糖体。他们说,这一“回收利用”过程让核糖体脱离当前的mRNA分子,以便利用它来翻译另一条mRNA。但他们并不清楚Rli1在活细胞中是否以相同的方式起作用。
  

为了阐明这一问题,研究人员除去了活酵母细胞的Rli1,他们预测随着核糖体在终止密码子处堆积翻译将会减慢。为了“查看“核糖体所在的位置,研究小组将一种酶添加到细胞中破坏掉暴露的RNA。核糖体结合的RNA将受到保护,由此可以分离及鉴别出它们。如预期的那样,耗尽Rli1使得坐在终止密码子上的核糖体数量增多。但他们也看到了一些核糖体定位在非翻译区的迹象,他们将此称之为是一个惊喜。
  

为了阐明核糖体是否实际上读取了非翻译区而生成了蛋白质,该研究小组将编码一个蛋白质的遗传密码插入到这一区域,他们可以轻易地测量蛋白质的数量。有Rli1不会生成蛋白质,但缺失Rli1的细胞则会生成蛋白质,证实了它们的核糖体确实在非翻译区活化。
  

进一步的实验证实,核糖体不只是跨过终止密码子继续翻译生成一种特别长的蛋白质。它们会像平常一样释放规则编码蛋白质,然后在附近再次启动翻译。
  

Guydosh 说:“看起来就像核糖体已厌倦了等待被拆解,而决定重新回去工作。在非翻译区似乎有一些蛋白质合成工作就在它们面前。”
  

尽管尚不清楚这些小蛋白的用途,Green认为一种可能是由于当酵母遭受到缺乏食物的压力时核糖体在非翻译区增多所导致。“有可能这些小蛋白实际上帮助了酵母细胞响应饥饿,但这还只是个猜测。”
  

由于核糖体对于合成新蛋白质及细胞生长至关重要,Green指出科学家们认为细胞的增殖速度在部分程度上是由它们拥有的核糖体数量所决定。缺失Rli1细胞由于核糖体均占据在终止密码子和非翻译区因而无法生长。因此,癌细胞会提高它们的Rli1水平来实现快速地生长。
  

Green说:“以往我们没有认识到核糖体回收利用对于mRNA正常翻译的重要性。没有它,核糖体会不能专心从事平常的工作,这对于正常细胞的维持和生长至关重要。这一研究发现引出了我们以往甚至不知道要去问的一些问题。”

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