Science：首次揭示出细菌的一体化蛋白组装线

Science：首次揭示出细菌的一体化蛋白组装线

来源：生物谷 2017-04-16


2017年4月16日/生物谷BIOON/---细胞中发生的很多过程对生命是不可或缺的。作为它们中的两个过程，转录和翻译允许储存在DNA中的遗传信息被解码为形成细菌、植物和人类等所有生物的蛋白。


半个世纪以来，科学家们就已知道这两个过程在细菌中偶联在一起，但是在此之前，他们一直并不知道这是如何实现的。如今，在一项新的研究中，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）和德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的研究人员揭示出一种被称作“表达体（expressome）”的复合体的确切结构。相关研究结果发表在2017年4月14日的Science期刊上，论文标题为“Architecture of a transcribing-translating expressome”。论文通信作者为UW-Madison生物化学系教授Robert Landick和马克斯普朗克生物物理化学研究所主任Patrick Cramer。


这些研究人员说，这项以模式生物大肠杆菌为实验对象的研究可能有助探究细菌如何影响人类健康，包括更好地理解基因调节和开发新的抗生素。


Landick解释道，“这种复合体在细菌中的存在是基于证据而被提出的，但是迄今为止，没有人证实过它的存在。这项研究是首次证实能够利用这些两种已经非常复杂的机器（即转录复合体，或者说转录机器；翻译复合体，或者说翻译机器）形成一种更大的超细胞机器（即表达体）。”


转录过程利用RNA聚合酶将DNA转化为RNA。在此过程之后，另一种被称作核糖体的分子机器将这种RNA（更具体地说，是信号RNA，即mRNA）翻译为细菌能够用来发挥功能的蛋白。


UW-Madison生物化学系研究员Rachel Mooney说，在细菌的表达体中，RNA聚合酶和核糖体形成一种复杂的结构以便以一种耦合的方式执行这两个过程，而且这种新解析出的表达体结构有助了解这是如何发生的。


转录和翻译也在动物和人类中发生，但是这两个过程并不像在细菌中的那样偶联在一起。相反，它们在细胞的两个物理上不同的部分发生。这些研究人员说，如果科学家们能够发现一种破坏这种表达体的方法，那么他们可能能够开发出靶向细菌但不会伤害人细胞的药物。


这些发现也会延伸到对微生物组（人体内和人体表面上的微生物群体）的研究。正在进行中的研究展示了微生物组对人类健康是非常重要的，而且理解这些微生物群体中的基因调节是这些努力的至关重要的一部分。如今，这种表达体结构是获得这种理解的基础。


Landick说，“针对人类生物学，我们往往认为是在人细胞中发生的事情，但是至少有与人细胞那么多的细菌细胞存在于我们的身体内部和表面上。大肠杆菌可能在那里真地并不普遍，那么我们利用它作为一种模式生物将我们的研究延伸到对人过程至关重要的其他细菌。”


Landick、Mooney（UW-Madison团队）与Cramer和Rebecca Kohler（德国团队）合作开展这项研究。这个德国团队提供的设备协助解析出这种表达体的结构。这种表达体含有UW-Madison团队提供的RNA聚合酶。


Cramer说，“我们的研究解释了过去的观察结果 ：这两个过程（转录和翻译）在这些细菌细胞中偶联在一起。”


研究人员也对这种复合体的起源感兴趣。为何这两个过程在细菌中而不是在人类等有机体中偶联在一起需要从进化的角度加以研究。


Landick解释道，“针对它的一种观点是简单地认为细菌在进化上要比我们超前得多。这是违反直觉的，但是仅技术上而言，它们具有比我们多得多的后代。细菌面临的进化压力导致这种非常一体化的和非常高效的方法来让DNA经转录和翻译后变成蛋白。”