Nature文章解答：核糖体怎样优化自身生产
由哈佛医学院系统生物学教授Johan Paulsson领导的新研究证明，为了尽快生产额外的核糖体，少不了一些精细结构的帮助。这项研究为这一独特分子机器的进化提供了新视角。
“核糖体是最重要的生命分子复合物，有关它的跨学科研究长达几十年，”Paulsson说。“我总是感到困惑，每当我们在细节上对其进行分析解释时，总有些奇怪的特征无法自圆其说，或者说是‘圆’的不够完美。”
蛋白质“工厂”的奇怪特征
在原子分辨率水平，科学家们已得知核糖体把遗传信息转化为蛋白质的方法，揭示了一个在准确度、速度和控制度上良好微调过的分子机器。
根据生物类型，核糖体由55到80个谜一样的结构蛋白组成。这些结构蛋白不仅在数量上比人们最初预测的多，而且还特别短而且长度一致。另外，核糖体的组成结构还包括2到3股RNA，这些RNA占核糖体总质量的70%。这些特征对核糖体的功能有何优势呢？
“这就好比走进一片森林，你知道叶绿体和光合作用是如何工作，却不知道为什么这片地不长草、不长灌木偏偏能长这么多树，”Paulsson说。
所以，Paulsson和他的同事Shlomi Reuveni决定用不同的眼光检查核糖体。“其中一个突破口是不把核糖体看作是‘蛋白质生产机器’，而是把它们看作‘蛋白质生产过程的产物’，” Reuveni说。
木林森
细胞分裂的前提是必须拥有两套制造细胞所需所有蛋白质的核糖体，因此核糖体的生成制约了细胞分裂的速度。Paulsson和同事以速度为首要选择进化压力，设计了理论数据模型来预测核糖体可能的特征。
研究团队计算将制造新核糖体的任务分配给许多核糖体（每个负责生产成品的一小片零件），能使产量增加30%。而新生核糖体被制造出来后也能立即投入“核糖体生产大军”。
对需要快速分裂的细胞（如细菌）来说，这是一个巨大的优势。根据数学估计，蛋白质生产过程需要时间启动，间接时间成本限制了单个核糖体所能生产的蛋白质数量。模型预测，为了达到最大自我生产效率，核糖体的蛋白质组成数目应该是40-80个蛋白质，组成蛋白的平均大小应该比正常细胞蛋白质小3倍左右，且大小均一。
这一计算结果完全独立于具体生物学实验，但却精准地反映了科学家们在核糖体内所观察到的真实情况。
“根据我们的理论，核糖体不仅是建造房子的‘木匠’，它们还是创造其他‘木匠’的‘木匠’，” Paulsson说。“把一项工作分成许多小部分并行完成，可以尽快地组装另一个完整的‘木匠’，投入新一轮生产，这是一个极为高效的工作模式。”
理论联系实际
Paulsson和同事们还研究了不仅充当结构零件，还负责将氨基酸组成蛋白质的核糖体RNA。他们分析，核糖体产生RNA越多，生产速度就越快。原因是，细胞生产核糖体RNA的速度比生产核糖体蛋白质的速度快得多。因此，尽管人们普遍认为RNA酶的效率比蛋白质酶低，但出于生存压力，核糖体必须尽可能地多利用RNA以提高新核糖体的生产速度。“这解释了核糖体结构的另一优势，”Paulsson说。
根据团队预测，这项结果适用于自我生产的核糖体。但是，细胞内绝大多数其他结构无需自我生产，因此可以牺牲生产速度用稳定性和有效性更强的蛋白质代替RNA。
该团队用数学理论准确地预测了核糖体的特征，解释了为什么它是生长最快的生物体，为什么核糖体蛋白长度最短，为什么核糖体RNA最多等问题。另一个证据，作为真核细胞的发电厂（被认为是与人永久共生的细菌，癌细胞线粒体DNA漂移的分子机理）也有自己的核糖体，但却不能自己生产核糖体。没有生产压力的线粒体核糖体由较大的蛋白质构成，内部RNA含量比细胞核糖体少得多。
“虽然这是一项基础研究，但核糖体的组成问题却是所有生命的共有现象，”Paulsson说。“我们需要了解结构和功能的根本原因，与许多基础科学一样，新知识是解锁未来发现的必经之路。”
