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科學研究：限製細胞成長速率
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科學研究：限製細胞成長速率
分子機器通過處理DNA的遺傳信息，將其轉化為RNA，然後再轉化為蛋白質，而它們本身也是由蛋白質和RNA組成的。一項關於這個過程中所涉及的自催化循環的新分析(曲線箭頭)對細胞繁殖的速度提出了限製。 （圖片來源：APS/Carin Cain）
繁殖是所有生物的特點之一。像動物和人類這樣的多細胞生物，孩子將與其父母相似，而單細胞通過分裂複製自己。在細胞層麵上，繁殖和自我複製一樣都是通過分子機器合成細胞成分來實現的。盡管研究人員對這些分子機器的結構有著豐富的研究，我們卻並不清楚這些結構在細胞生長上起的作用。現在以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的Sarah Kostinski 和Shlomi Reuveni研究了細胞器核糖體的複製過程，並從中推導出細胞繁殖速度的限製。他們發現這種速度取決於核糖體的組成，尤其是RNA與蛋白質的比例，而在比例為2：1的時候細胞生長速度最快。這個結果表明了核糖體的設計並非進化上的偶然，也非核糖體化學作用的結果，相反的，核糖體通過精心地調整以最大化細胞生長。
核糖體是一種大分子複合物，它存在於所有細胞中，能合成蛋白質。要生產蛋白質，核糖體需要利用細胞的基因信息（從DNA轉譯到RNA）來正確連接氨基酸。細菌的核糖體包含大約50種蛋白質和3種RNA分子，這些分子都起著核糖體結構與催化的作用。較大的RNA占核糖體總質量的2/3。
動物細胞的基本結構，3為核糖體。圖片來源：Wikipedia
核糖體與細胞成長息息相關。例如，在細菌培養中，核糖體濃度被發現線性依賴於細胞成長速度，直到某個最大值。這種線性關係體現於細菌細胞組成成分的定量表征中。這被稱為生長規律，類似於物理學中的現象定律（如歐姆定律）。生長規律作為一個起點，可以幫助我們理解像蛋白質合成器這樣的細胞如何分配資源來實現不同的功能。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麽限製了細胞生長速度，現在Kostinski和Reuveni的新工作將幫助填補這項空缺。
在他們的研究中，兩人將這種生長速度限製與核糖體的自催化聯係起來。他們建立了一個模型來說明參與到細胞複製中兩種分子機器核糖體與RNA聚合酶(合成RNA的分子機器)的活動。
這個模型考慮了分子機器自身的合成過程（見上圖），包括兩個自催化循環。第一個循環解釋了核糖體的自循環過程，它會生產細菌所有蛋白質，包括核糖體中的蛋白質。第二個循環解釋了核糖體合成RNA聚合酶，並進一步合成核糖體中的RNA的過程。
小組給細胞生長速度提出了兩個限製。第一個限製因素與第一個自催化循環有關，表明細胞複製速度不可能比一個核糖體為另一個核糖體生產完整的核糖體蛋白所需要的時間快，對此我們早已知曉。如果一個細胞還包含其他蛋白質（所有細胞都如此），複製這些另外的蛋白質會增加所謂的倍增時間（細胞完整複製所需的時間）。因此可以解釋我們已知的細胞生長率（倍增時間的倒數）和所觀察核糖體濃度之間的線性關係。
核糖體組裝蛋白質分子聚合物，其序列由信使RNA分子控製。圖片來源：Wikipedia
第二個限製因素來源於核糖體RNA的合成。基於這些研究，Kostinski 和 Reuveni發現倍增時間必須大於另一合成時間，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，兩個速度限製將細胞生長與核糖體的組成聯係在一起：當核糖體含有更多的蛋白質時，第一個速度限製較小。但與之相反的是，此時第二速度限製就會更高。由於總速度限製是兩者中更慢的，所以RNA與蛋白質的組成比例可以在兩個速度限製之間形成平衡，以最大限度地促進細胞生長。對已知細菌大腸杆菌的研究, Kostinski 和 Reuveni在他們的兩個速度限製方程中固定了所有其他參數，例如分子機器的活性率與兩個分子的大小，然後發現最佳的RNA蛋白質的比例為2：1，這與在實驗中觀察到細菌核糖體的組成一致。這個實驗結果證明了對細胞蛋白質合成機製的最佳的設計與運用在細胞快速生長中起著至關重要的地位。
那麽接下是什麽呢？進一步研究的一個方向是研究進化過程中是如何產生這些速度限製的。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的比例是進化最優化的結果，那麽其餘參數應該與之一起進化。這個方向可以通過描繪這些參數在不同物種中是如何進化得到驗證，這可能會為蛋白質合成機製的設計提供額外的限製。
這項研究發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
作者：Stefan Klumpp （德國哥廷根大學複雜係統動力學研究所）
翻譯：王麟濤
審校：戴晨
引進來源：美國物理學會
引進鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/108
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分子機器通過處理DNA的遺傳信息，將其轉化為RNA，然後再轉化為蛋白質，而它們本身也是由蛋白質和RNA組成的。一項關於這個過程中所涉及的自催化循環的新分析(曲線箭頭)對細胞繁殖的速度提出了限製。 （圖片來源：APS/Carin Cain）
繁殖是所有生物的特點之一。像動物和人類這樣的多細胞生物，孩子將與其父母相似，而單細胞通過分裂複製自己。在細胞層麵上，繁殖和自我複製一樣都是通過分子機器合成細胞成分來實現的。盡管研究人員對這些分子機器的結構有著豐富的研究，我們卻並不清楚這些結構在細胞生長上起的作用。現在以色列特拉維夫大學（Tel Aviv University）的Sarah Kostinski 和Shlomi Reuveni研究了細胞器核糖體的複製過程，並從中推導出細胞繁殖速度的限製。他們發現這種速度取決於核糖體的組成，尤其是RNA與蛋白質的比例，而在比例為2：1的時候細胞生長速度最快。這個結果表明了核糖體的設計並非進化上的偶然，也非核糖體化學作用的結果，相反的，核糖體通過精心地調整以最大化細胞生長。
核糖體是一種大分子複合物，它存在於所有細胞中，能合成蛋白質。要生產蛋白質，核糖體需要利用細胞的基因信息（從DNA轉譯到RNA）來正確連接氨基酸。細菌的核糖體包含大約50種蛋白質和3種RNA分子，這些分子都起著核糖體結構與催化的作用。較大的RNA占核糖體總質量的2/3。
動物細胞的基本結構，3為核糖體。圖片來源：Wikipedia
核糖體與細胞成長息息相關。例如，在細菌培養中，核糖體濃度被發現線性依賴於細胞成長速度，直到某個最大值。這種線性關係體現於細菌細胞組成成分的定量表征中。這被稱為生長規律，類似於物理學中的現象定律（如歐姆定律）。生長規律作為一個起點，可以幫助我們理解像蛋白質合成器這樣的細胞如何分配資源來實現不同的功能。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麽限製了細胞生長速度，現在Kostinski和Reuveni的新工作將幫助填補這項空缺。
在他們的研究中，兩人將這種生長速度限製與核糖體的自催化聯係起來。他們建立了一個模型來說明參與到細胞複製中兩種分子機器核糖體與RNA聚合酶(合成RNA的分子機器)的活動。
這個模型考慮了分子機器自身的合成過程（見上圖），包括兩個自催化循環。第一個循環解釋了核糖體的自循環過程，它會生產細菌所有蛋白質，包括核糖體中的蛋白質。第二個循環解釋了核糖體合成RNA聚合酶，並進一步合成核糖體中的RNA的過程。
小組給細胞生長速度提出了兩個限製。第一個限製因素與第一個自催化循環有關，表明細胞複製速度不可能比一個核糖體為另一個核糖體生產完整的核糖體蛋白所需要的時間快，對此我們早已知曉。如果一個細胞還包含其他蛋白質（所有細胞都如此），複製這些另外的蛋白質會增加所謂的倍增時間（細胞完整複製所需的時間）。因此可以解釋我們已知的細胞生長率（倍增時間的倒數）和所觀察核糖體濃度之間的線性關係。
核糖體組裝蛋白質分子聚合物，其序列由信使RNA分子控製。圖片來源：Wikipedia
第二個限製因素來源於核糖體RNA的合成。基於這些研究，Kostinski 和 Reuveni發現倍增時間必須大於另一合成時間，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，兩個速度限製將細胞生長與核糖體的組成聯係在一起：當核糖體含有更多的蛋白質時，第一個速度限製較小。但與之相反的是，此時第二速度限製就會更高。由於總速度限製是兩者中更慢的，所以RNA與蛋白質的組成比例可以在兩個速度限製之間形成平衡，以最大限度地促進細胞生長。對已知細菌大腸杆菌的研究, Kostinski 和 Reuveni在他們的兩個速度限製方程中固定了所有其他參數，例如分子機器的活性率與兩個分子的大小，然後發現最佳的RNA蛋白質的比例為2：1，這與在實驗中觀察到細菌核糖體的組成一致。這個實驗結果證明了對細胞蛋白質合成機製的最佳的設計與運用在細胞快速生長中起著至關重要的地位。
那麽接下是什麽呢？進一步研究的一個方向是研究進化過程中是如何產生這些速度限製的。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的比例是進化最優化的結果，那麽其餘參數應該與之一起進化。這個方向可以通過描繪這些參數在不同物種中是如何進化得到驗證，這可能會為蛋白質合成機製的設計提供額外的限製。
這項研究發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
作者：Stefan Klumpp （德國哥廷根大學複雜係統動力學研究所）
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引進鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/108
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