Cell：科学家模拟细胞的蛋白翻译过程
2013-07-04 koo bio360
细胞内部的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。而蛋白质形成就是这种生命活动的基础。由于蛋白质的重要性，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。现在，宾夕法尼亚大学与爱丁堡大学的研究人员合作，利用一种计算机模型，阐明了细胞中
细胞内部的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。而蛋白质形成就是这种生命活动的基础。由于蛋白质的重要性，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。
现在，宾夕法尼亚大学与爱丁堡大学的研究人员合作，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。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、tRNAs 和 mRNAs 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（翻译起始），还是随后核糖体沿着 mRNA 链移动（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。
研究有人表示，这项研究证实，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。
研究人员指出，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。
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。
作者：koo
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