蛋白質翻譯不出來嗎？可能是氨基酸序列正在破壞核糖體

　　蛋白質是多肽鏈組成的三位結構，多肽鏈的氨基酸序列由DNA密碼書寫，編寫多肽鏈的過程發生在核糖體，它們被稱為蛋白質合成機器。根據遺傳密碼，來自DNA拷貝序列的信使RNA逐個聚合氨基酸分子，直到整條鏈的終點才從核糖體上脫離。

　　核糖體合成蛋白質的過程被稱為“翻譯”，所以生物體的所有蛋白質都是通過翻譯產生的。過去人們曾認為，翻譯過程中，一條新生鏈（nascent chains）的產生是連續不間斷的。直到最近，東京科技（Tokyo Tech）的Hideki Taguchi和京都產業（Kyoto Sangyo）大學的Koreaki Ito研究團隊才發現，翻譯速度實際上非常起伏不定，一些特殊的新生鏈氨基酸序列作用于核糖體后，會拖慢翻譯速度。

　　研究成果概述

　　課題組采用重組大腸桿菌無細胞翻譯系統翻譯一組具有10個特殊氨基酸序列（天冬氨酸和谷氨酸）或序列中酸性氨基酸和脯氨酸交替連接的蛋白質。當核糖體翻譯到這些特殊序列時，就會產生明顯的中途停頓。被含有這些序列的新生鏈所影響的結果是：核糖體變得不穩定了。研究人員把這種事件命名為“內在核糖體失穩（intrinsic ribosome destabilization，IRD）”。

　　它直接導致核糖體分裂成大大小小的亞基（如圖）。過去被視作所有氨基酸序列合成總指揮部的核糖體，如今卻被證明，竟然可以被它們所生產的新生鏈推翻。這表明，翻譯過程也存在中途失敗的潛在風險。富含觸發IRD序列的蛋白質不能完全被合成。

　　乍一看，這個現象貌似是核糖體的一個缺陷。但是，仔細想想，對生命體來說，IRD的存在是不是有其他意義？

　　研究人員發現，生物體中同樣存在抵消IRD的機制。于是他們使用缺乏這種機制的突變大腸桿菌（稍有不穩定就傾向于發生IRD），分析細胞蛋白質組學（所有蛋白質表達）。結果是，許多蛋白質的數量都發生了變化。其中，最特別的是一種負責將鎂離子運進細胞內的MgtA膜蛋白，突變型大腸桿菌的MgtA表達比野生型高10倍以上。

　　為什么IRD的高發導致了細胞MgtA蛋白的高表達？

　　研究人員發現，控制MgtA表達的mgtL基因也具有IRD序列。大腸桿菌通過mgtL序列運用特殊機制感知到了IRD現象，然后調節MgtA表達以響應細胞內鎂離子濃度變化。

　　鎂離子有許多重要功能，對穩定核糖體來說尤其重要。本研究的結果表明，當大腸桿菌感知環境中鎂離子正在稀缺時，它就會利用mgtL的IRD引發MgtA大量表達以獲得一個途徑來維持細胞內鎂離子濃度水平。換句話說，活的有機體具有利用IRD現象，監視細胞內環境的一種調控機制（如圖）。

　　未來研究

　　這項研究表明，除了具有三維結構的蛋白質以外，氨基酸序列也能影響核糖體穩定性甚至終止翻譯。此前，過早終止翻譯一直不被認為是生命科學的一個重要進程，Taguchi團隊的成果是對這一領域的擴展，很可能將導致新型工具蛋白質生產或生物制藥開發。