顛覆認知！細胞內的核糖體不盡相同

蛋白合成工廠——核糖體（圖片來源：V. ALTOUNIAN/SCIENCE）

核糖體是細胞內蛋白質生成的重要場所，有著蛋白質「合成工廠」之稱。當經由轉錄過程生成的mRNA從細胞核出來後，核糖體會與之結合，並在tRNA的協助下啟動翻譯過程形成蛋白質。在真核生物的進化過程中，核糖體的大小也明顯增加，主要由rRNA和蛋白質構成。

很多科學家認為，這一生成蛋白質的關鍵車間都是相同的，它們中的每一個都可以生成機體所需要的任何一種蛋白質。現在，一項研究卻提出了不一樣的結論：一些核糖體存在異質性，他們生產的蛋白質很固定。這些定製的核糖體能夠協助細胞控制蛋白質的表達，它們也可以幫助解釋一些罕見的疾病癥狀——可能與特定的核糖體缺陷有關。

核糖體：蛋白質生成車間

一個哺乳動物細胞內可能含有多達1000萬個核糖體。細胞需要貢獻出60%的能量，以RNA和80多種不同類型的蛋白質為原材料，構建出核糖體。這無疑是一個「高代價」的過程，但是卻是必要的，因為核糖體對於蛋白質的生成不可或缺。

過去的研究認為，核糖體對mRNA沒有「挑剔」，無「親疏之分」，因此它們能夠合成所有蛋白質。但是幾十年的研究已經暗示過核糖體的多樣性和異質性的特徵。

早在2011年，斯坦福大學的分子和發育生物學家Maria Barna帶領團隊在《Cell》期刊發表文章揭示了一種現象：當小鼠體內的某一種核糖體蛋白質欠缺時，這類小鼠的尾巴會很短，會發育出多餘的肋骨以及其他缺陷。這一發育缺陷模型表明，核糖體蛋白的缺失會干擾其產生與胚胎髮育相關的特定蛋白質。

但是，「核糖體定製化」的爭論一直未有實質性進展。科學家們很難精確測量核糖體構成蛋白的水平。

新一篇Cell揭示核糖體定製化

5年後，Maria Barna團隊打破瓶頸，再一次在《Cell》期刊發表文章揭示這一領域的重要突破。

他們以小鼠胚胎幹細胞為材料，藉助質譜分析測量15種核糖體蛋白的濃度時發現，其中9種蛋白質是所有核糖體所共有的。但是，30%-40%的核糖體缺少另外4種蛋白質。這意味著，這一類核糖體都是獨特的。

隨後，他們對其餘76種核糖體蛋白也進行了大規模分析，證實7種蛋白質差異足以表明核糖體的異質性。

這些定製的核糖體專門負責哪些蛋白的生成呢？Barna團隊採用核糖體圖譜技術檢測與核糖體結合的mRNAs，從而確定其蛋白產物。結果顯示，異質化的蛋白質往往負責生成執行特定任務的蛋白質。例如生成專門參與發育的蛋白質。

當核糖體合成功能出現缺陷時，它會引發一些罕見癥狀。這些臨床特徵統稱為核糖體病變（ribosomopathies），例如Diamond-Blackfan貧血（DBA），一種先天性再生障礙性貧血症，表現為巨紅細胞性貧血，但是少數患者會伴隨身體其他部位的出生缺陷，例如小頭症、拇指畸形或缺失。這些看起來無關聯的異常很有可能都是一個原因造成的——胚胎髮育過程中細胞攜帶相同的特定核糖體。

Barna團隊認為，正常的細胞或許可以通過調整特定核糖體的數量控制蛋白質的表達量。這是蛋白質表達控制的另一種途徑。為什麼細胞需要不同的機制控制基因的表達？目前還不清楚，但是這些機制卻能夠幫助細胞應對不同的環境變化。

但是，加州大學聖克魯茲分校的分子生物學家Harry Noller卻對細胞進化出調控蛋白表達的特定核糖體表示懷疑。他認為：「對於細胞而言，合成核糖體成本很高。如果細胞需要調整自己的核糖體，最合理的方法是修改一個通用版本的核糖體，而不是構建定製版。」

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