Cell解析蛋白质翻译调控机制

　　一个细胞的内部运作涉及到不计其数的单个分子，它们参与到重复循环的相互作用之中来维持生命。蛋白质形成就是这种生命活动的基础。

　　宾夕法尼亚大学的Joshua B. Plotkin教授说，由于蛋白质是细胞功能的基础构件，科学家们一直以来对于细胞生成蛋白质的机制都极其地感兴趣。

　　“蛋白质翻译对于所有的活细胞均极为重要。细胞借助于这一机制将遗传信息转变为能够真正为它做事的实体，使得细胞能够感知环境和生长，”Plotkin说。

　　在一项最新的研究中，Plotkin和博士后研究人员、文理学院的Premal Shah利用一种计算机模型，阐明了细胞中蛋白质翻译的限速机制。他们的研究发表发表在近期的《细胞》(Cell)杂志上。

　　与英国的科学家们展开合作，由宾夕法尼亚大学领导的这一科研小组在酵母细胞中构建了一个蛋白质翻译的理论模型。基于一张核糖体与信使RNAs(mRNAs)的实验快照推导出的参数，该模型模拟出了蛋白质的翻译过程。

　　mRNAs是翻译开始的一个重要组成部分。随着核糖体沿着mRNA链移动，解码它的遗传信息，其形成了一条机械装配线，以mRNA指定的序列翻译出氨基酸链。

　　核糖体从细胞的其他地方获得氨基酸。称作为tRNAs的转移RNAs，将氨基酸运送到正在进行蛋白质翻译的核糖体处。tRNA的作用是将mRNA密码子与对应的氨基酸联系一起。氨基酸的排列顺序决定了构建出的蛋白质类型。在这一过程结束之时，蛋白质会从核糖体释放出来，在细胞内开始发挥其作用。

　　我们可以将核糖体、转移RNA和信使RNA的行为，比作是一组人试图利用电梯来去到一个更高的楼层。

　　关键的问题是，是什么延迟了每个人到达更高楼层的时间——是因为人们需要时间来寻找电梯还是电梯自身的速度?如果电梯移动很慢，我们期望能够找到等候在底层的大群的人，以及更多在电梯上的人。而如果电梯移动迅速，那么延迟就是因为人们首先花费了时间来寻找电梯所致。

　　那么同样的，在细胞中，是什么减慢了核糖体解码mRNAs信息的速度呢?

　　是由于核糖体结合mRNA起始序列的频率(这一过程在生物学中称作翻译起始)，还是随后核糖体沿着mRNA链移动(这一过程称作为翻译延伸)的速度导致了延迟呢?

　　结果表明，答案取决于细胞的环境，以及它的压力水平。

　　在正常情况下，核糖体供不应求，因此主要的瓶颈在于起始步骤。科学家们推断，长mRNAs的起始速度甚至更慢。

　　这一发现有助于解决一个激烈的争论：是起始还是延伸限制了细胞中蛋白质生成的速度。

　　Plotkin说：“我们证实，对于健康细胞中的正常基因，游离核糖体的起始速度限制了翻译的步伐。这在进化上确实很有意义。相比于tRNA，生成核糖体所需要付出的代价更大。因此对于细胞而言最好是有所节制，核糖体略少一些，tRNAs略多一点。”

　　对于健康细胞而言是这种情况。而当细胞受到压力时，情况会发生改变。这时蛋白质的翻译速度受到延伸的限制。这时因为压力细胞耗尽了氨基酸，因此只有较少的tRNAs可供延伸利用。核糖体必须用更长的时间等待tRNA将对应的氨基酸带到mRNA的每个区段。

　　研究人员发现，压力细胞可以让蛋白质工厂处于待命状态。

　　“通过在压力下减慢起始速度，细胞降低了它的预期需要，实际上得到了相对较多的蛋白质产量。你可以将之比作，如果没有足够的汽油，就尝试不要按每小时60英里的速度开车，那么你就可以去到你要去的地方，”Plotkin说。

　　研究人员发现，是起始或是延伸限制蛋白质翻译的速度，取决于细胞的环境。

　　研究人员表示，了解了这一过程的运作机制，将有助于各种生物技术应用。例如，就诸如胰岛素等有益蛋白质而言，科学家们可以找到一些方法来优化细胞的蛋白质生成。