為了生長和分裂,細(xì)胞依賴于*的酶混合物。這些酶每秒執(zhí)行數(shù)百萬次化學(xué)反應(yīng)。許多接力發(fā)揮作用的酶執(zhí)行一系列相關(guān)聯(lián)在一起的化學(xué)反應(yīng),即“途徑(pathway)”,即在一種途徑中,一種化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是下一種化學(xué)反應(yīng)的起始物質(zhì)。通過對參與化學(xué)反應(yīng)的分子進(jìn)行許多漸進(jìn)式改變,一種途徑中的酶發(fā)揮至關(guān)重要的作用,比如將營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為能量或復(fù)制DNA。
數(shù)十年來,科學(xué)家們想知道一種途徑中的酶的相對數(shù)量是否受到嚴(yán)格控制以便更好地協(xié)調(diào)它們催化的化學(xué)反應(yīng)。如今,在一項(xiàng)新的研究中,來自美國麻省理工學(xué)院的研究人員證實(shí)細(xì)胞不僅產(chǎn)生數(shù)量的酶,而且進(jìn)化壓力篩選出一種優(yōu)選的酶比例。通過這種方式,酶的行為就像蛋糕中的成分,在蛋糕中,這些成分必須以正確的比例組合在一起,而且所有的生命可能都具有相同的酶配方。相關(guān)研究結(jié)果于2018年3月29日在線發(fā)表在Cell期刊上,論文標(biāo)題為“Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry”。論文通信作者為麻省理工學(xué)院生物學(xué)助理教授Gene-Wei Li。論文*作者為麻省理工學(xué)院物理學(xué)系研究生Jean-BenoîtLalanne。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007。
100多年來,生物學(xué)家們通過觀察酶在試管中催化化學(xué)反應(yīng)來研究它們,近期他們利用X射線觀察這些酶的分子結(jié)構(gòu)來研究它們。
然而,盡管科學(xué)家們多年來詳細(xì)描地述單個蛋白,但是他們?nèi)匀徊涣私饧?xì)胞內(nèi)的許多酶的基本特性。比如,迄今為止,人們還不可能預(yù)測細(xì)胞為了讓它自己的存活機(jī)會zui大化所應(yīng)產(chǎn)生的*酶量。
對物質(zhì)(包括蛋白)的相對含量的研究被稱為“化學(xué)計量(stoichiometry)”。為了研究不同類型細(xì)胞中的酶化學(xué)計量,Li和他的同事們分析了三種不同的細(xì)菌物種---大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和需鈉弧菌(Vibrio natriegens)---以及釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在這些細(xì)胞中,他們比較了21種負(fù)責(zé)各種任務(wù)(包括修復(fù)DNA、制造脂肪酸和將糖轉(zhuǎn)化為能量)的途徑中的酶數(shù)量。鑒于這些酵母和細(xì)菌物種經(jīng)過進(jìn)化能夠生活在不同的環(huán)境中,并且具有不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu),比如是否存在細(xì)胞核,他們吃驚地發(fā)現(xiàn)所有的這四種細(xì)胞類型在所有研究的途徑中具有幾乎相同的酶化學(xué)計量。
Li團(tuán)隊(duì)隨后詳細(xì)描述細(xì)菌如何實(shí)現(xiàn)一致的酶化學(xué)計量。細(xì)胞通過調(diào)節(jié)兩個過程來控制酶的產(chǎn)生。*個過程為轉(zhuǎn)錄,即將包括在DNA鏈中的信息轉(zhuǎn)換成信使RNA(mRNA)的許多拷貝。第二個過程為翻譯,即核糖體通過對這些mRNA進(jìn)行解碼而產(chǎn)生蛋白。通過分析所有三種細(xì)菌物種中的轉(zhuǎn)錄,Li團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些不同的細(xì)菌產(chǎn)生了不同數(shù)量的mRNA,這些mRNA編碼通路中的酶。
不同量的mRNA在理論上會導(dǎo)致蛋白產(chǎn)量差異,但是這些研究人員卻發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞調(diào)節(jié)它們的翻譯速率來彌補(bǔ)轉(zhuǎn)錄上的變化。產(chǎn)生更多mRNA的細(xì)胞減緩了它們的蛋白合成速度,而產(chǎn)生更少mRNA的細(xì)胞增加它們的蛋白合成速度。由于這種補(bǔ)償,酶化學(xué)計量在不同的細(xì)菌中保持不變。
在未來,Li和他的同事們將測試他們在細(xì)菌和酵母中的發(fā)現(xiàn)是否能夠延伸到人類身上。鑒于單細(xì)胞生物(如前面提及的三種細(xì)菌和釀酒酵母)和多細(xì)胞生物(如人類)不同地調(diào)節(jié)能量和營養(yǎng)物,并且經(jīng)歷不同的選擇壓力,因此這些研究人員并不確定他們會發(fā)現(xiàn)什么。(生物谷 Bioon.com)
參考資料:
Jean-Benoît Lalanne, James C. Taggart, Monica S. Guo et al. Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry. Cell, Published online: March 29, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007
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