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為了生長和分裂，細胞依賴于*的酶混合物。這些酶每秒執(zhí)行數(shù)百萬次化學反應。許多接力發(fā)揮作用的酶執(zhí)行一系列相關聯(lián)在一起的化學反應，即“途徑（pathway）”，即在一種途徑中，一種化學反應的產(chǎn)物是下一種化學反應的起始物質(zhì)。通過對參與化學反應的分子進行許多漸進式改變，一種途徑中的酶發(fā)揮至關重要的作用，比如將營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為能量或復制DNA。
數(shù)十年來，科學家們想知道一種途徑中的酶的相對數(shù)量是否受到嚴格控制以便更好地協(xié)調(diào)它們催化的化學反應。如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員證實細胞不僅產(chǎn)生數(shù)量的酶，而且進化壓力篩選出一種優(yōu)選的酶比例。通過這種方式，酶的行為就像蛋糕中的成分，在蛋糕中，這些成分必須以正確的比例組合在一起，而且所有的生命可能都具有相同的酶配方。相關研究結果于2018年3月29日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標題為“Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry”。論文通信作者為麻省理工學院生物學助理教授Gene-Wei Li。論文*作者為麻省理工學院物理學系研究生Jean-BenoîtLalanne。
圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007。
100多年來，生物學家們通過觀察酶在試管中催化化學反應來研究它們，近期他們利用X射線觀察這些酶的分子結構來研究它們。
然而，盡管科學家們多年來詳細描地述單個蛋白，但是他們?nèi)匀徊涣私饧毎麅?nèi)的許多酶的基本特性。比如，迄今為止，人們還不可能預測細胞為了讓它自己的存活機會zui大化所應產(chǎn)生的*酶量。
對物質(zhì)（包括蛋白）的相對含量的研究被稱為“化學計量（stoichiometry）”。為了研究不同類型細胞中的酶化學計量，Li和他的同事們分析了三種不同的細菌物種---大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和需鈉弧菌（Vibrio natriegens）---以及釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。在這些細胞中，他們比較了21種負責各種任務（包括修復DNA、制造脂肪酸和將糖轉(zhuǎn)化為能量）的途徑中的酶數(shù)量。鑒于這些酵母和細菌物種經(jīng)過進化能夠生活在不同的環(huán)境中，并且具有不同的細胞結構，比如是否存在細胞核，他們吃驚地發(fā)現(xiàn)所有的這四種細胞類型在所有研究的途徑中具有幾乎相同的酶化學計量。
Li團隊隨后詳細描述細菌如何實現(xiàn)一致的酶化學計量。細胞通過調(diào)節(jié)兩個過程來控制酶的產(chǎn)生。*個過程為轉(zhuǎn)錄，即將包括在DNA鏈中的信息轉(zhuǎn)換成信使RNA（mRNA）的許多拷貝。第二個過程為翻譯，即核糖體通過對這些mRNA進行解碼而產(chǎn)生蛋白。通過分析所有三種細菌物種中的轉(zhuǎn)錄，Li團隊發(fā)現(xiàn)這些不同的細菌產(chǎn)生了不同數(shù)量的mRNA，這些mRNA編碼通路中的酶。
不同量的mRNA在理論上會導致蛋白產(chǎn)量差異，但是這些研究人員卻發(fā)現(xiàn)這些細胞調(diào)節(jié)它們的翻譯速率來彌補轉(zhuǎn)錄上的變化。產(chǎn)生更多mRNA的細胞減緩了它們的蛋白合成速度，而產(chǎn)生更少mRNA的細胞增加它們的蛋白合成速度。由于這種補償，酶化學計量在不同的細菌中保持不變。
在未來，Li和他的同事們將測試他們在細菌和酵母中的發(fā)現(xiàn)是否能夠延伸到人類身上。鑒于單細胞生物（如前面提及的三種細菌和釀酒酵母）和多細胞生物（如人類）不同地調(diào)節(jié)能量和營養(yǎng)物，并且經(jīng)歷不同的選擇壓力，因此這些研究人員并不確定他們會發(fā)現(xiàn)什么。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Jean-Benoît Lalanne, James C. Taggart, Monica S. Guo et al. Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry. Cell, Published online: March 29, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007
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