Nature：研究首次實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)控制量化

    來自德國Max Delbruck分子醫(yī)學(xué)中心和柏林醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究所的研究人員第一次對基因表達(dá)控制進(jìn)行了定量分析，研究結(jié)果表明基因表達(dá)控制主要發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)而非細(xì)胞核中。相關(guān)研究論文發(fā)表在5月19日的《自然》(Nature)雜志上。

    基因表達(dá)是一個(gè)多步驟過程，涉及轉(zhuǎn)錄、翻譯以及mRNA和蛋白的周轉(zhuǎn)，盡管數(shù)十年來科學(xué)家們投入了大量的精力在這一研究領(lǐng)域，然而直到現(xiàn)在人們對這些事件的綜合效應(yīng)怎樣決定基因表達(dá)卻仍然知之甚少。

    “蛋白質(zhì)是生命最重要的組成部分。它們事實(shí)上控制著心臟跳動、氧輸送甚至思維等一切生命過程，”德國Max Delbruck分子醫(yī)學(xué)中心生物學(xué)家Matthias Selbach解釋說：“在此過程中，細(xì)胞將儲存在DNA順序中的遺傳物質(zhì)經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯，轉(zhuǎn)變成具有生物活性的蛋白質(zhì)分子。然而一直以來科學(xué)家們都心存疑問，到底轉(zhuǎn)錄和翻譯哪一個(gè)在調(diào)控細(xì)胞蛋白質(zhì)水平上起主導(dǎo)作用呢？”

    在這篇文章中研究人員通過同時(shí)測量蛋白質(zhì)和mRNA豐度及周轉(zhuǎn)量的方式量化了哺乳動物細(xì)胞中的基因表達(dá)。他們利用定量質(zhì)譜測定法和最新的測序技術(shù)，對超過5000個(gè)基因的蛋白質(zhì)和mRNAs進(jìn)行了“并行代謝脈沖標(biāo)記”。隨后通過數(shù)學(xué)建模的方法，對mRNA和蛋白的合成速度進(jìn)行預(yù)測從而得出結(jié)論，證實(shí)蛋白在細(xì)胞中的豐度主要是在核糖體mRNAs的翻譯層面上被控制的。“核糖體最終確定了蛋白質(zhì)的豐度。一些mRNAs在1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)僅能翻譯生成一個(gè)蛋白質(zhì)，而一些其他的mRNAs的翻譯速率則有可能達(dá)到前者的200倍。”Matthias Selbach說。

    此外，研究人員還證實(shí)細(xì)胞以一種非常有效的方式利用它們的資源。研究人員發(fā)現(xiàn)大部分由高表達(dá)的管家基因編碼生成mRNAs和蛋白質(zhì)都非常的穩(wěn)定，由于蛋白質(zhì)合成是一個(gè)消耗大量能源的過程，這些mRNAs和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性使得細(xì)胞節(jié)省了大量的寶貴能量。而與此相對應(yīng)是在快速信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用的蛋白質(zhì)則通常不太穩(wěn)定，由此確保了細(xì)胞能夠快速適應(yīng)環(huán)境中的變化。

    在接下來的計(jì)劃中，研究人員期望能找到他們的研究結(jié)果與疾病的相關(guān)性。“到目前為止，這還只是純粹的基礎(chǔ)研究，”Matthias Selbach強(qiáng)調(diào)說：“眾所周知在許多疾病中例如癌癥都存在蛋白質(zhì)的合成異常。然而在這一過程中具體哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了失控，對此我們?nèi)匀恢�之甚少。直到現(xiàn)在研究者們還主要將研究焦點(diǎn)集中在細(xì)胞核中尋找答案。新研究結(jié)果表明細(xì)胞質(zhì)中的核糖體對于蛋白質(zhì)合成具有極其重要的意義。或許我們能夠從此處找到解析疾病的關(guān)鍵鑰匙。”