核糖体的质量控制

核糖体的质量控制

阿德南・奥克塔

 

         一个细胞中存在着数百万个核糖体。核糖体是制造蛋白质的工厂,在身体的所有细胞中都具有积极的作用。例如,核糖体的任务之一就是结合细胞中的蛋白质,形成更大的大分子结构。在分子生物学中,核糖体的运作机制被称为“黑匣子”,人们还没有完全弄明白其机制,因此有很多关于核糖体方面的新研究。这份研究就是其中之一,其研究结果于2016年发表在《细胞报告》和《EMBO》杂志上。在这项新研究中,维尔茨堡大学和马克斯・普朗克研究所研究人员表示,大家都知道核糖体的功能是生产蛋白质,除此之外,核糖体也起到了“质量控制点”的作用。

 

在分子水平上玩乐高

 

        维尔茨堡大学的乌兹・菲舍尔教授多年以来一直在研究一种名叫“大分子机”的蛋白质是如何在细胞中组装的。菲舍尔将其组装过程与乐高块相比较,并描述如下:

 

        “把它看作分子水平上的乐高砖:一块连一块,直到完成建筑。如果其中一块有缺陷或者用错了砖,整个建筑物可能都会受到影响。”

 

        菲舍尔教授的研究重点是一种名叫“剪接体”的结构。这些大的RNA蛋白质复合物是细胞内基因表达的重要组成部分(基因表达:具有DNA序列的基因成为功能性蛋白质构建体的过程)。他们的工作是剪掉不含任何蛋白质编码信息的部分信使RNA,并且连接携带该信息的相关部分。万万没想到,菲舍尔团队与马克斯・普朗克研究所的同事一起发现了这个过程中的另外一名成员:核糖体。

 


Contrary to the conventional view, the ribosome does not release individual proteins directly into the cytosol after synthesis (left). Instead, it holds the protein back until chaperones deliver the matching counterparts (right). In this way, the ribosome assures that only the one intended structure is formed thereby adopting the role of a quality inspector.

 

与常规观点相反的是,核糖体在合成蛋白质之后不会将单个的蛋白质直接释放到细胞溶质中(如图左)。相反,它会保留蛋白质直到伴侣蛋白递送相匹配的对象为止。这样,核糖体就担任起了质量检测员的作用,确保形成预期的结构。

 

核糖体的作用

 

        核糖体使用来自细胞核的DNA拷贝作为信使RNA(mRNA)来生产蛋白质。两个大蛋白-RNA亚基构成核糖体;蛋白质和辅助因子。由RNA分子组成的数百个结构参与这一过程。信使RNA的任务是完整地传递来自细胞核的DNA遗传密码。作为信息带的RNA将遗传密码传递到核糖体。然后核糖体读取该密码,并将新的氨基酸(蛋白质的构建块)加入到该蛋白链中。同时,另外一个RNA分子,名叫转移RNA(tRNA),为核糖体一个接一个地提供氨基酸,这就是蛋白质是如何根据遗传密码合成的过程。但是到这个点为止,我们要考虑一个很重要的问题:如果蛋白质在合成之后被核糖体随机释放到细胞溶质(由水和水溶性分子组成的细胞质的一部分)中,那么那些离散的蛋白质是如何正确地组装在一起而形成大分子机器的呢?

 

核糖体只确保形成预期的蛋白质结构

 

        如果核糖体释放单独的蛋白质到细胞内部,那些离散的蛋白质是不可能凭借“偶然的机会”找到匹配对象的。“对这个来说,细胞内部太拥挤了,”马克斯・普朗克生物物理化学研究所的项目组长Ashwin Chari说道。

 

        即使蛋白质能成功找到对象,一个过程要花太长的时间。因为蛋白质必须通过试错法找到匹配对象。让蛋白质自己去找正确对象并与之匹配,这不是一种明智的方法。因此,大多数会导致形成错误的结构,从而导致严重的疾病,比如阿尔茨海默氏症。

 

        领导整个项目的Elham Paknia指出,让这个过程保持完美的秩序非常有必要:因此细胞中必须存在一种机制,这种机制保护在核糖体上合成的新蛋白质,只有在遇到与之匹配的对象的时候才会释放该蛋白质。

 

        很显然,核糖体在合成蛋白质之后不会随机地将其释放到细胞溶质中。它会保留该蛋白质,直到遇到特殊的助手,分子伴侣(伴随蛋白质参与被折叠成三维形式的过程),在它的帮助下传递与之匹配的对象。这样,核糖体就能确保只形成一种预期的结构。因此,除了生产蛋白质以外,核糖体还扮演着“质量检测员”的作用。

 

如果核糖体不执行质量检测的任务...

 

        这个过程总体来说就是如以上所描述的,但是实际上其中间过程非常复杂。当我们深入到其中的更多细节时,我们就会发现更多神奇的过程,这些都是超出人类理解的。因为在剪接体装配的过程中,任何错误都可能导致疾病。例如,脊髓型肌肉萎缩就是这些疾病之一。这种紊乱的特征是失去了运动神经元,特别是在脊髓中,导致受影响的个体肌肉萎缩和麻痹。如果蛋白质折叠错误也会引起各种疾病,从糖尿病到阿尔茨海默病。换句话说,在这些复杂的操作过程中就算是一个很微小的错误也会导致永久性的损害和疾病。

到这个点为止,大家脑海会有很多问题:

 

  • 组成细胞的分子是没有意识的,也不能被眼睛观察到的,那么细胞是通过什么方式决定生产某些结构的呢?因为只有有意识,能够思考和评估的生物体才拥有决策力。
  • 是谁创造了蛋白质,让它在以下步骤中具备识别匹配能力的?
  • 出于哪种责任感和推理能力,核糖体才不会释放蛋白质,直到它进行正确的匹配过程?
  • 蛋白质怎么知道自己已经完成了正确的配对?

 

        这些问题的答案非常清楚:全能的上帝,他创造了所有生物体,建立了一个完美的体系,每一个细节该在哪儿就在哪儿,确保所有的过程和谐一致。

 

        我们的身体中存在一个宏伟的运转机制,而人类对此没有任何有意识或者无意识的影响;事实上,科学家们还没有充分理解和发掘这个系统的功能。这一个机制当然不是靠巧合机遇形成的。要靠巧合建立一个如此宏伟而且系统化的机制绝对是不可能的。任何这样的说法都存在逻辑上的缺陷。每一个结构,令人惊叹的系统,都是由全能的上帝创造的,它们完美无瑕,宏伟壮观,完整无缺,没有一丝错误。我们的主在一节经文中说道:

 

……他(上帝)创造了一切,并且以最精准的方式安排了一切。(淮则章 第2节)

资料来源:

 

维尔茨堡大学(2016年10月6日)《核糖体的质量控制》 “每日科学”网站

www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161006122726.htm

阿德南・奥克塔在 “新闻救援”网站 上的文章:

http://newsrescue.com/ribosomal-quality-control/

 

2017-10-24 15:38:24

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