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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(xué)反應(yīng)。許多接力發(fā)揮作用的酶執(zhí)行一系列相關(guān)聯(lián)在一起的化學(xué)反應(yīng)，即“途徑（pathway）”，即在一種途徑中，一種化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是下一種化學(xué)反應(yīng)的起始物質(zhì)。通過對參與化學(xué)反應(yīng)的分子進行許多漸進式改變，一種途徑中的酶發(fā)揮至關(guān)重要的作用，比如將營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為能量或復(fù)制DNA。

數(shù)十年來，科學(xué)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(xué)反應(yīng)。如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學(xué)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(guān)研究結(jié)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(xué)院生物學(xué)助理教授Gene-Wei Li。論文*作者為麻省理工學(xué)院物理學(xué)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(xué)家們通過觀察酶在試管中催化化學(xué)反應(yīng)來研究它們，近期他們利用X射線觀察這些酶的分子結(jié)構(gòu)來研究它們。

然而，盡管科學(xué)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(yù)測細胞為了讓它自己的存活機會zui大化所應(yīng)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(xué)計量（stoichiometry）”。為了研究不同類型細胞中的酶化學(xué)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(zé)各種任務(wù)（包括修復(fù)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(jié)構(gòu)，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(xué)計量。

Li團隊隨后詳細描述細菌如何實現(xiàn)一致的酶化學(xué)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(dǎo)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(xué)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