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PNAS:核糖体合理利用的最佳策略

来源:ebiotrade / 作者:koo / 2013-10-16

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PNAS:核糖体合理利用的最佳策略

当细胞生长和增殖之时,它们需要生成大量的蛋白质。由于所有这些蛋白质都是由核糖体制造,因此快速的生长需要大量的核糖体。由于对于细胞而言核糖体是昂贵的机器,细胞需要有效地使用它们。

在一项发表在《PNAS》上的新研究中,一支国际研究小组调查了大肠杆菌解决这一问题的机制,证实它所采用的经济利用核糖体的策略接近于最佳。这一策略将细胞的核糖体量增多与它们运作的速度增高连接到了一起:无论何时细胞核糖体生成增多,它也能使核糖体的运行速度加快。此外,这一研究确定了庞大的tRNA复合体在细胞中缓慢扩散限制了核糖体的速度,是核糖体以高昂代价运行加速的根源。

随着一家公司的成长壮大,它需要投资机器来生成更多数量的产品。生长和增殖的细胞也是这样的情况。它们需要将资源投入到如核糖体等机器中来合成蛋白,以及最终生成新细胞。为了这样做它们不得不做出经济决策,例如是生成更少的核糖体使之运行加速,或是生成更多的核糖体使之运行减慢。细胞只能是将它的资源或是投入生成大量的核糖体或是让它们快速运行。新研究通过系统地比较蛋白质组资源分配理论模型,以及用不同的营养源培育而具有不同生长速率的大肠杆菌的实验数据,调查了所采用的策略。

结果表明,细菌利用了这两种策略的组合:当细胞生长加速时,核糖体量及运作速度均增高。但如果所有的资源只投入到任一方面,则两者都不能够达到尽可能最多。这是这种细胞能够做出的最好投资策略吗?“在我们的模型中,它并非最佳但却非常接近于最佳,”研究的主要作者、马克思普朗克胶体与界面研究所研究小组负责人 Stefan Klumpp 说:“它是一种非常简单的策略,因此进一步改善它或许会增加额外的成本。”

使得核糖体更快速运行为什么要付出高昂的代价?蛋白质是通过核糖体将不同的氨基酸链按正确的顺序拼合到一起而生成。由于必须将氨基酸运送至核糖体,这一过程由三元复合物来完成。为了让核糖体更快速地运转,需要加快这种传送,但提高这一传送的速度面临着一种物理限制:细胞内部挤满了蛋白质和其他的分子,因此大的三元复合物只能缓慢地通过。唯一让它们快速达到的途径就是拥有大量的三元复合物,因此其中之一或许能够及时到达核糖体。生成更多的三元复合物转而需要更多的核糖体。

细菌核糖体是许多抗生素的作用靶标,新研究为了解细菌细胞对这些抗生素所产生的反应奠定了理论基础。例如,细胞通常在一定程度上通过生成更多的核糖体来补偿核糖体功能下降。相似的经济限制预计也适应于所有的快速增长和增殖的细胞,因此这些研究结果在未来或许也适应于高等生物,尤其是癌细胞。

原文检索:

Stefan Klumpp, Matthew Scott, Steen Pedersen, and Terence Hwa. Molecular crowding limits translation and cell growth. PNAS, October 15, 2013; doi:10.1073/pnas.1310377110

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