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科學(xué)研究：限制細(xì)胞成長速率
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科學(xué)研究：限制細(xì)胞成長速率
分子機(jī)器通過處理DNA的遺傳信息，將其轉(zhuǎn)化為RNA，然后再轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，而它們本身也是由蛋白質(zhì)和RNA組成的。一項(xiàng)關(guān)于這個過程中所涉及的自催化循環(huán)的新分析(曲線箭頭)對細(xì)胞繁殖的速度提出了限制。 （圖片來源：APS/Carin Cain）
繁殖是所有生物的特點(diǎn)之一。像動物和人類這樣的多細(xì)胞生物，孩子將與其父母相似，而單細(xì)胞通過分裂復(fù)制自己。在細(xì)胞層面上，繁殖和自我復(fù)制一樣都是通過分子機(jī)器合成細(xì)胞成分來實(shí)現(xiàn)的。盡管研究人員對這些分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)有著豐富的研究，我們卻并不清楚這些結(jié)構(gòu)在細(xì)胞生長上起的作用?，F(xiàn)在以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的Sarah Kostinski 和Shlomi Reuveni研究了細(xì)胞器核糖體的復(fù)制過程，并從中推導(dǎo)出細(xì)胞繁殖速度的限制。他們發(fā)現(xiàn)這種速度取決于核糖體的組成，尤其是RNA與蛋白質(zhì)的比例，而在比例為2：1的時候細(xì)胞生長速度最快。這個結(jié)果表明了核糖體的設(shè)計并非進(jìn)化上的偶然，也非核糖體化學(xué)作用的結(jié)果，相反的，核糖體通過精心地調(diào)整以最大化細(xì)胞生長。
核糖體是一種大分子復(fù)合物，它存在于所有細(xì)胞中，能合成蛋白質(zhì)。要生產(chǎn)蛋白質(zhì)，核糖體需要利用細(xì)胞的基因信息（從DNA轉(zhuǎn)譯到RNA）來正確連接氨基酸。細(xì)菌的核糖體包含大約50種蛋白質(zhì)和3種RNA分子，這些分子都起著核糖體結(jié)構(gòu)與催化的作用。較大的RNA占核糖體總質(zhì)量的2/3。
動物細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，3為核糖體。圖片來源：Wikipedia
核糖體與細(xì)胞成長息息相關(guān)。例如，在細(xì)菌培養(yǎng)中，核糖體濃度被發(fā)現(xiàn)線性依賴于細(xì)胞成長速度，直到某個最大值。這種線性關(guān)系體現(xiàn)于細(xì)菌細(xì)胞組成成分的定量表征中。這被稱為生長規(guī)律，類似于物理學(xué)中的現(xiàn)象定律（如歐姆定律）。生長規(guī)律作為一個起點(diǎn)，可以幫助我們理解像蛋白質(zhì)合成器這樣的細(xì)胞如何分配資源來實(shí)現(xiàn)不同的功能。盡管對這個課題研究了超過了60年，研究人員依然不理解是什么限制了細(xì)胞生長速度，現(xiàn)在Kostinski和Reuveni的新工作將幫助填補(bǔ)這項(xiàng)空缺。
在他們的研究中，兩人將這種生長速度限制與核糖體的自催化聯(lián)系起來。他們建立了一個模型來說明參與到細(xì)胞復(fù)制中兩種分子機(jī)器核糖體與RNA聚合酶(合成RNA的分子機(jī)器)的活動。
這個模型考慮了分子機(jī)器自身的合成過程（見上圖），包括兩個自催化循環(huán)。第一個循環(huán)解釋了核糖體的自循環(huán)過程，它會生產(chǎn)細(xì)菌所有蛋白質(zhì)，包括核糖體中的蛋白質(zhì)。第二個循環(huán)解釋了核糖體合成RNA聚合酶，并進(jìn)一步合成核糖體中的RNA的過程。
小組給細(xì)胞生長速度提出了兩個限制。第一個限制因素與第一個自催化循環(huán)有關(guān)，表明細(xì)胞復(fù)制速度不可能比一個核糖體為另一個核糖體生產(chǎn)完整的核糖體蛋白所需要的時間快，對此我們早已知曉。如果一個細(xì)胞還包含其他蛋白質(zhì)（所有細(xì)胞都如此），復(fù)制這些另外的蛋白質(zhì)會增加所謂的倍增時間（細(xì)胞完整復(fù)制所需的時間）。因此可以解釋我們已知的細(xì)胞生長率（倍增時間的倒數(shù)）和所觀察核糖體濃度之間的線性關(guān)系。
核糖體組裝蛋白質(zhì)分子聚合物，其序列由信使RNA分子控制。圖片來源：Wikipedia
第二個限制因素來源于核糖體RNA的合成?；谶@些研究，Kostinski 和 Reuveni發(fā)現(xiàn)倍增時間必須大于另一合成時間，即核糖體合成RNA聚合酶的時間加上RNA聚合酶合成每一核糖體RNA時間的幾何平均。
共同的，兩個速度限制將細(xì)胞生長與核糖體的組成聯(lián)系在一起：當(dāng)核糖體含有更多的蛋白質(zhì)時，第一個速度限制較小。但與之相反的是，此時第二速度限制就會更高。由于總速度限制是兩者中更慢的，所以RNA與蛋白質(zhì)的組成比例可以在兩個速度限制之間形成平衡，以最大限度地促進(jìn)細(xì)胞生長。對已知細(xì)菌大腸桿菌的研究, Kostinski 和 Reuveni在他們的兩個速度限制方程中固定了所有其他參數(shù)，例如分子機(jī)器的活性率與兩個分子的大小，然后發(fā)現(xiàn)最佳的RNA蛋白質(zhì)的比例為2：1，這與在實(shí)驗(yàn)中觀察到細(xì)菌核糖體的組成一致。這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了對細(xì)胞蛋白質(zhì)合成機(jī)制的最佳的設(shè)計與運(yùn)用在細(xì)胞快速生長中起著至關(guān)重要的地位。
那么接下是什么呢？進(jìn)一步研究的一個方向是研究進(jìn)化過程中是如何產(chǎn)生這些速度限制的。核糖體的組成在所有物種之間是大致相同的(除了線粒體中的核糖體)。但是不同物種之間的分子活性是不同的。如果2:1的比例是進(jìn)化最優(yōu)化的結(jié)果，那么其余參數(shù)應(yīng)該與之一起進(jìn)化。這個方向可以通過描繪這些參數(shù)在不同物種中是如何進(jìn)化得到驗(yàn)證，這可能會為蛋白質(zhì)合成機(jī)制的設(shè)計提供額外的限制。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
作者：Stefan Klumpp （德國哥廷根大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)研究所）
翻譯：王麟濤
審校：戴晨
引進(jìn)來源：美國物理學(xué)會
引進(jìn)鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/108
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分子機(jī)器通過處理DNA的遺傳信息，將其轉(zhuǎn)化為RNA，然后再轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，而它們本身也是由蛋白質(zhì)和RNA組成的。一項(xiàng)關(guān)于這個過程中所涉及的自催化循環(huán)的新分析(曲線箭頭)對細(xì)胞繁殖的速度提出了限制。 （圖片來源：APS/Carin Cain）
繁殖是所有生物的特點(diǎn)之一。像動物和人類這樣的多細(xì)胞生物，孩子將與其父母相似，而單細(xì)胞通過分裂復(fù)制自己。在細(xì)胞層面上，繁殖和自我復(fù)制一樣都是通過分子機(jī)器合成細(xì)胞成分來實(shí)現(xiàn)的。盡管研究人員對這些分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)有著豐富的研究，我們卻并不清楚這些結(jié)構(gòu)在細(xì)胞生長上起的作用?，F(xiàn)在以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的Sarah Kostinski 和Shlomi Reuveni研究了細(xì)胞器核糖體的復(fù)制過程，并從中推導(dǎo)出細(xì)胞繁殖速度的限制。他們發(fā)現(xiàn)這種速度取決于核糖體的組成，尤其是RNA與蛋白質(zhì)的比例，而在比例為2：1的時候細(xì)胞生長速度最快。這個結(jié)果表明了核糖體的設(shè)計并非進(jìn)化上的偶然，也非核糖體化學(xué)作用的結(jié)果，相反的，核糖體通過精心地調(diào)整以最大化細(xì)胞生長。
核糖體是一種大分子復(fù)合物，它存在于所有細(xì)胞中，能合成蛋白質(zhì)。要生產(chǎn)蛋白質(zhì)，核糖體需要利用細(xì)胞的基因信息（從DNA轉(zhuǎn)譯到RNA）來正確連接氨基酸。細(xì)菌的核糖體包含大約50種蛋白質(zhì)和3種RNA分子，這些分子都起著核糖體結(jié)構(gòu)與催化的作用。較大的RNA占核糖體總質(zhì)量的2/3。
動物細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，3為核糖體。圖片來源：Wikipedia
核糖體與細(xì)胞成長息息相關(guān)。例如，在細(xì)菌培養(yǎng)中，核糖體濃度被發(fā)現(xiàn)線性依賴于細(xì)胞成長速度，直到某個最大值。這種線性關(guān)系體現(xiàn)于細(xì)菌細(xì)胞組成成分的定量表征中。這被稱為生長規(guī)律，類似于物理學(xué)中的現(xiàn)象定律（如歐姆定律）。生長規(guī)律作為一個起點(diǎn)，可以幫助我們理解像蛋白質(zhì)合成器這樣的細(xì)胞如何分配資源來實(shí)現(xiàn)不同的功能。盡管對這個課題研究了超過了60年，研究人員依然不理解是什么限制了細(xì)胞生長速度，現(xiàn)在Kostinski和Reuveni的新工作將幫助填補(bǔ)這項(xiàng)空缺。
在他們的研究中，兩人將這種生長速度限制與核糖體的自催化聯(lián)系起來。他們建立了一個模型來說明參與到細(xì)胞復(fù)制中兩種分子機(jī)器核糖體與RNA聚合酶(合成RNA的分子機(jī)器)的活動。
這個模型考慮了分子機(jī)器自身的合成過程（見上圖），包括兩個自催化循環(huán)。第一個循環(huán)解釋了核糖體的自循環(huán)過程，它會生產(chǎn)細(xì)菌所有蛋白質(zhì)，包括核糖體中的蛋白質(zhì)。第二個循環(huán)解釋了核糖體合成RNA聚合酶，并進(jìn)一步合成核糖體中的RNA的過程。
小組給細(xì)胞生長速度提出了兩個限制。第一個限制因素與第一個自催化循環(huán)有關(guān)，表明細(xì)胞復(fù)制速度不可能比一個核糖體為另一個核糖體生產(chǎn)完整的核糖體蛋白所需要的時間快，對此我們早已知曉。如果一個細(xì)胞還包含其他蛋白質(zhì)（所有細(xì)胞都如此），復(fù)制這些另外的蛋白質(zhì)會增加所謂的倍增時間（細(xì)胞完整復(fù)制所需的時間）。因此可以解釋我們已知的細(xì)胞生長率（倍增時間的倒數(shù)）和所觀察核糖體濃度之間的線性關(guān)系。
核糖體組裝蛋白質(zhì)分子聚合物，其序列由信使RNA分子控制。圖片來源：Wikipedia
第二個限制因素來源于核糖體RNA的合成?；谶@些研究，Kostinski 和 Reuveni發(fā)現(xiàn)倍增時間必須大于另一合成時間，即核糖體合成RNA聚合酶的時間加上RNA聚合酶合成每一核糖體RNA時間的幾何平均。
共同的，兩個速度限制將細(xì)胞生長與核糖體的組成聯(lián)系在一起：當(dāng)核糖體含有更多的蛋白質(zhì)時，第一個速度限制較小。但與之相反的是，此時第二速度限制就會更高。由于總速度限制是兩者中更慢的，所以RNA與蛋白質(zhì)的組成比例可以在兩個速度限制之間形成平衡，以最大限度地促進(jìn)細(xì)胞生長。對已知細(xì)菌大腸桿菌的研究, Kostinski 和 Reuveni在他們的兩個速度限制方程中固定了所有其他參數(shù)，例如分子機(jī)器的活性率與兩個分子的大小，然后發(fā)現(xiàn)最佳的RNA蛋白質(zhì)的比例為2：1，這與在實(shí)驗(yàn)中觀察到細(xì)菌核糖體的組成一致。這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了對細(xì)胞蛋白質(zhì)合成機(jī)制的最佳的設(shè)計與運(yùn)用在細(xì)胞快速生長中起著至關(guān)重要的地位。
那么接下是什么呢？進(jìn)一步研究的一個方向是研究進(jìn)化過程中是如何產(chǎn)生這些速度限制的。核糖體的組成在所有物種之間是大致相同的(除了線粒體中的核糖體)。但是不同物種之間的分子活性是不同的。如果2:1的比例是進(jìn)化最優(yōu)化的結(jié)果，那么其余參數(shù)應(yīng)該與之一起進(jìn)化。這個方向可以通過描繪這些參數(shù)在不同物種中是如何進(jìn)化得到驗(yàn)證，這可能會為蛋白質(zhì)合成機(jī)制的設(shè)計提供額外的限制。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
作者：Stefan Klumpp （德國哥廷根大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)研究所）
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