新发现表明所有生命都可以分享这个共同的设计原则

作者:邱镁袷

<p>研究人员发现,酵母和细菌中具有相同功能的酶可能具有不同的结构,但在每种类型的细胞中以相同的相对量存在图像:Haynathart / Wikimedia Commons通过研究细菌和酵母,麻省理工学院的研究人员发现了大量的细胞和酵母</p><p>不同类型的细胞仍然具有基本的相似性,跨物种保守并随着时间的推移而精制更具体地说,这些细胞含有相同比例的特殊蛋白质,称为酶,它协调细胞内的化学反应生长和分裂,细胞依赖于独特的每秒进行数百万化学反应的酶的混合物许多酶在继电器中进行一系列相关的化学反应,称为“通路”,其中一种化学反应的产物是下一步的起始原料通过进行许多增量变化对于分子,通路中的酶执行重要功能,例如将营养物质转化为能量或复制DNA几十年来,科学家们想知道是否严格控制了一条通路中酶的相对含量,以便更好地协调它们的化学反应</p><p>现在,研究人员已经证明,细胞不仅会产生精确量的酶,而且进化压力也会选择酶的优选比例通过这种方式,酶的行为就像蛋糕的成分,必须以正确的比例组合,并且所有的生命可以共享相同的酶配方“我们仍然不知道为什么这种酶的组合是理想的,”麻省理工学院生物学助理教授Gene-Wei Li说:“但是这个问题开辟了一个全新的生物学领域,我们称之为系统水平优化途径</p><p>在这个学科中,研究人员将研究不同酶和途径在复合体中的行为</p><p>细胞环境“Li是这项研究的高级作者,该研究于3月29日在Cell杂志上发表,4月出版19该论文的主要作者Jean-BenoîtLalanne是麻省理工学院物理系的研究生一个意外的观察100多年来,生物学家通过观察它们催化试管中的化学反应来研究酶,并且 - 最近 - 使用用X射线观察它们的分子结构然而,尽管多年来有很多细节描述单个蛋白质的工作,科学家仍然不了解细胞内酶的许多基本特性</p><p>例如,目前还不可能预测最佳细胞应该做的酶量以最大化其存活机会计算是棘手的,因为答案不仅取决于酶的特定功能,还取决于其作用如何对细胞内的其他化学反应和酶产生连锁反应“即使我们确切地知道一种酶的作用,”李说,“我们仍然没有意识到细胞会产生多少蛋白质</p><p>考虑生物化学如果我们给生物化学家提供三种酶,例如将糖分解成能量,他们可能不知道如何以适当的比例混合蛋白质以优化反应“相对研究大量物质 - 包括蛋白质 - 被称为“化学计量学”为了研究不同类型细胞中酶的化学计量,Li和他的同事分析了三种不同的细菌 - 大肠杆菌,枯草芽孢杆菌和无菌弧菌 - 以及芽殖酵母Saccharomyces cerevisiae在这些细胞中,科学家比较了21种途径中酶的数量,这些途径负责各种任务,包括修复DNA,构建脂肪酸,以及将糖转化为能量因为这些酵母和细菌物种已经进化到不同环境中研究人员感到惊讶,并且有不同的细胞结构,例如核的存在或缺乏为了发现所有四种细胞类型在所有途径中具有几乎相同的酶化学计量,Li的团队通过详细说明细菌如何实现一致的酶化学计量来跟踪他们意想不到的结果细胞通过调节两个过程来控制酶的产生第一,转录,转换包含的信息</p><p>一条DNA链进入信使RNA(mRNA)的许多拷贝第二种,翻译,发生在核糖体解码mRNAs构建蛋白质 通过分析所有三种细菌物种的转录,Li的团队发现不同的细菌产生不同数量的mRNA编码途径中的酶不同量的mRNA理论上导致蛋白质产生的差异,但研究人员发现细胞调整了它们的比率用于补偿转录变化的翻译细胞产生更多mRNA的细胞减缓了蛋白质合成的速度,而产生较少mRNA的细胞增加了蛋白质合成的速度由于这种补偿,酶的化学计量在不同的细菌中保持恒定“它是值得注意的是,大肠杆菌和枯草芽孢杆菌需要相同数量的相应蛋白质,正如转录和翻译效率的补偿变化所示,“瑞典乌普萨拉大学物理生物学教授约翰·埃尔夫说</p><p>”这些结果提出了有趣的问题</p><p>如何生产酶不断发现的细胞已经进化了“”检测细菌基因簇非常引人注目,“主要作者Lalanne说:”在漫长的进化历史中,这些基因已经移位,突变成不同的序列,并被移动的DNA片段轰炸,随机插入自身基因组虽然如此,细菌通过调整翻译来维持其酶的化学计量来补偿这些变化</p><p>这表明我们尚不了解的进化力使得细胞具有相同的酶化学计量“寻找调节人体健康的化学计量学未来,李和他的同事将测试他们在细菌和酵母中的发现是否扩展到人类因为单细胞和多细胞生物以不同的方式管理能量和营养,并且经历不同的选择压力,研究人员不确定他们会发现什么“也许会有化学计量学变化的酶,如更高保守水平的酶的子集,“李说”这表明人体对特定酶的变化敏感,可以制造出良好的药物目标但我们不会知道,直到我们看到“超越人体,李他的团队认为,有可能找到所有细胞中复杂的分子喧嚣的简单性像自然界中的其他数学模式,如贝壳的螺旋或树的分支模式,酶的化学计量可能是一种广泛的设计生命原则该研究由美国国立卫生研究院,皮尤生物医学学者计划,斯隆研究奖学金,塞尔学者计划,加拿大国家科学与工程研究委员会,霍华德休斯医学研究所,国家科学基金会,海伦·海伊惠特尼基金会资助, Jane Coffin Childs纪念基金和史密斯家庭基金会出版物:Jean-BenoîtLalanne等,“进化收敛性o f途径特异性酶表达化学计量学,“细胞,2018; DOI:....