摘要：研究團(tuán)隊(duì)近日深入分析了哺乳動(dòng)物細(xì)胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除。
每個(gè)細(xì)胞都依賴蛋白質(zhì)來(lái)維持功能和健康。這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)合成，但不能無(wú)限期地堆積在細(xì)胞中。一旦它們完成使命或受到損傷，細(xì)胞就需要將其清除。
細(xì)胞通過(guò)分解蛋白質(zhì)并回收利用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。不過(guò)，這種持續(xù)不斷的蛋白質(zhì)合成和清除工作既需要能量供應(yīng)，又需要精密協(xié)調(diào)，細(xì)胞必須不斷在兩者之間尋求平衡。
在進(jìn)食后、壓力過(guò)大或服用某些藥物時(shí)，這種平衡可能會(huì)被打破。然而，細(xì)胞仍然需要將整體蛋白質(zhì)水平維持在安全范圍內(nèi)。
那么，問(wèn)題來(lái)了：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞如何調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)清除？科學(xué)家們?cè)缇椭肋@兩個(gè)過(guò)程是相互關(guān)聯(lián)的，但缺乏一個(gè)清晰的定量模型來(lái)描述它們?nèi)绾螌?shí)時(shí)地協(xié)同運(yùn)作。
圖1 核心被動(dòng)機(jī)制與兼性mTOR介導(dǎo)機(jī)制協(xié)同調(diào)控哺乳動(dòng)物的蛋白質(zhì)合成與降解
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的David Suter教授指出：“蛋白質(zhì)合成所需資源的波動(dòng)正不斷對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生影響。若蛋白質(zhì)合成速率下降50%，除非蛋白質(zhì)清除速率也隨之減慢，否則我們的細(xì)胞體積會(huì)縮小50%?！?/div>
圖2 經(jīng)環(huán)己酰亞胺（CHX）處理后，S、P、kdeg和kdil之間的關(guān)聯(lián)符合被動(dòng)適應(yīng)模型
圖1 核心被動(dòng)機(jī)制與兼性mTOR介導(dǎo)機(jī)制協(xié)同調(diào)控哺乳動(dòng)物的蛋白質(zhì)合成與降解
Suter教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近日深入分析了哺乳動(dòng)物細(xì)胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除，并將研究成果發(fā)表在《Cell Systems》雜志上。
“我們發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞普遍具有一種特性：它們能夠根據(jù)蛋白質(zhì)合成速率的變化來(lái)部分調(diào)整蛋白質(zhì)清除速率，這主要通過(guò)被動(dòng)適應(yīng)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，” 他談道。
為了探究細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)合成的變化，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種隨時(shí)間變色的特殊熒光蛋白（fluorescent timer）。這樣他們就能追蹤單個(gè)細(xì)胞中新蛋白質(zhì)的合成速度和舊蛋白質(zhì)的清除速度。
通過(guò)分析這些顏色變化，研究人員測(cè)定了兩個(gè)過(guò)程：蛋白質(zhì)主動(dòng)分解及細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂過(guò)程中的蛋白質(zhì)稀釋。然后，他們將這些測(cè)量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較。該模型預(yù)測(cè)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成減緩時(shí)，細(xì)胞也會(huì)相應(yīng)減少其降解機(jī)制的組分合成，從而減緩蛋白質(zhì)的清除。
在所有測(cè)試條件下，數(shù)據(jù)均符合模型預(yù)測(cè)：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時(shí)，蛋白質(zhì)清除速度的下降恰好能夠部分補(bǔ)償。研究人員將此稱為“被動(dòng)適應(yīng)（Passive Adaptation）”，這一過(guò)程有助于細(xì)胞在資源波動(dòng)的情況下維持更安全的蛋白質(zhì)水平。
圖2 經(jīng)環(huán)己酰亞胺（CHX）處理后，S、P、kdeg和kdil之間的關(guān)聯(lián)符合被動(dòng)適應(yīng)模型
即使在不受外部因素干擾的細(xì)胞中，他們也觀察到同樣的行為，表明這是一種常態(tài)化策略。
不過(guò)，研究人員在分析小鼠胚胎干細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一層額外的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)激活一種名為mTOR的營(yíng)養(yǎng)感知通路。這種反應(yīng)會(huì)增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成能力，并進(jìn)一步減少蛋白質(zhì)分解，使細(xì)胞的蛋白質(zhì)水平維持在穩(wěn)定狀態(tài)。
“即使蛋白質(zhì)合成速率下降50%，它們也能保持幾乎恒定的蛋白質(zhì)水平，” Suter指出。
他補(bǔ)充說(shuō)，這種穩(wěn)定性可能對(duì)胚胎至關(guān)重要?！拔覀冋J(rèn)為，對(duì)于植入前胚胎中的細(xì)胞來(lái)說(shuō)，這可能是必需的，因?yàn)樗鼈兯幍沫h(huán)境十分惡劣，沒(méi)有血液供應(yīng)，營(yíng)養(yǎng)也有限。這或許也能解釋為什么囊胚在體外受精的簡(jiǎn)單培養(yǎng)條件下展現(xiàn)出如此強(qiáng)的韌性?！?/div>
這項(xiàng)研究闡明了細(xì)胞如何在營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)變化、發(fā)育或應(yīng)激過(guò)程中維持蛋白質(zhì)平衡。它也為科學(xué)家如何解讀蛋白質(zhì)穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果以及早期胚胎細(xì)胞如何保持其韌性提供了新視角。
參考資料
[1] Core passive and facultative mTOR-mediated mechanisms coordinate mammalian protein synthesis and decay
摘要：研究團(tuán)隊(duì)近日深入分析了哺乳動(dòng)物細(xì)胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除。
每個(gè)細(xì)胞都依賴蛋白質(zhì)來(lái)維持功能和健康。這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)合成，但不能無(wú)限期地堆積在細(xì)胞中。一旦它們完成使命或受到損傷，細(xì)胞就需要將其清除。
細(xì)胞通過(guò)分解蛋白質(zhì)并回收利用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。不過(guò)，這種持續(xù)不斷的蛋白質(zhì)合成和清除工作既需要能量供應(yīng)，又需要精密協(xié)調(diào)，細(xì)胞必須不斷在兩者之間尋求平衡。
在進(jìn)食后、壓力過(guò)大或服用某些藥物時(shí)，這種平衡可能會(huì)被打破。然而，細(xì)胞仍然需要將整體蛋白質(zhì)水平維持在安全范圍內(nèi)。
那么，問(wèn)題來(lái)了：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞如何調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)清除？科學(xué)家們?cè)缇椭肋@兩個(gè)過(guò)程是相互關(guān)聯(lián)的，但缺乏一個(gè)清晰的定量模型來(lái)描述它們?nèi)绾螌?shí)時(shí)地協(xié)同運(yùn)作。
圖1 核心被動(dòng)機(jī)制與兼性mTOR介導(dǎo)機(jī)制協(xié)同調(diào)控哺乳動(dòng)物的蛋白質(zhì)合成與降解
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的David Suter教授指出：“蛋白質(zhì)合成所需資源的波動(dòng)正不斷對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生影響。若蛋白質(zhì)合成速率下降50%，除非蛋白質(zhì)清除速率也隨之減慢，否則我們的細(xì)胞體積會(huì)縮小50%?！?/div>
圖2 經(jīng)環(huán)己酰亞胺（CHX）處理后，S、P、kdeg和kdil之間的關(guān)聯(lián)符合被動(dòng)適應(yīng)模型
Suter教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近日深入分析了哺乳動(dòng)物細(xì)胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除，并將研究成果發(fā)表在《Cell Systems》雜志上。
“我們發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞普遍具有一種特性：它們能夠根據(jù)蛋白質(zhì)合成速率的變化來(lái)部分調(diào)整蛋白質(zhì)清除速率，這主要通過(guò)被動(dòng)適應(yīng)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，” 他談道。
為了探究細(xì)胞如何應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)合成的變化，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種隨時(shí)間變色的特殊熒光蛋白（fluorescent timer）。這樣他們就能追蹤單個(gè)細(xì)胞中新蛋白質(zhì)的合成速度和舊蛋白質(zhì)的清除速度。
通過(guò)分析這些顏色變化，研究人員測(cè)定了兩個(gè)過(guò)程：蛋白質(zhì)主動(dòng)分解及細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂過(guò)程中的蛋白質(zhì)稀釋。然后，他們將這些測(cè)量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較。該模型預(yù)測(cè)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成減緩時(shí)，細(xì)胞也會(huì)相應(yīng)減少其降解機(jī)制的組分合成，從而減緩蛋白質(zhì)的清除。
在所有測(cè)試條件下，數(shù)據(jù)均符合模型預(yù)測(cè)：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時(shí)，蛋白質(zhì)清除速度的下降恰好能夠部分補(bǔ)償。研究人員將此稱為“被動(dòng)適應(yīng)（Passive Adaptation）”，這一過(guò)程有助于細(xì)胞在資源波動(dòng)的情況下維持更安全的蛋白質(zhì)水平。
圖2 經(jīng)環(huán)己酰亞胺（CHX）處理后，S、P、kdeg和kdil之間的關(guān)聯(lián)符合被動(dòng)適應(yīng)模型
即使在不受外部因素干擾的細(xì)胞中，他們也觀察到同樣的行為，表明這是一種常態(tài)化策略。
不過(guò)，研究人員在分析小鼠胚胎干細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一層額外的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時(shí)，這些細(xì)胞會(huì)激活一種名為mTOR的營(yíng)養(yǎng)感知通路。這種反應(yīng)會(huì)增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成能力，并進(jìn)一步減少蛋白質(zhì)分解，使細(xì)胞的蛋白質(zhì)水平維持在穩(wěn)定狀態(tài)。
“即使蛋白質(zhì)合成速率下降50%，它們也能保持幾乎恒定的蛋白質(zhì)水平，” Suter指出。
他補(bǔ)充說(shuō)，這種穩(wěn)定性可能對(duì)胚胎至關(guān)重要?！拔覀冋J(rèn)為，對(duì)于植入前胚胎中的細(xì)胞來(lái)說(shuō)，這可能是必需的，因?yàn)樗鼈兯幍沫h(huán)境十分惡劣，沒(méi)有血液供應(yīng)，營(yíng)養(yǎng)也有限。這或許也能解釋為什么囊胚在體外受精的簡(jiǎn)單培養(yǎng)條件下展現(xiàn)出如此強(qiáng)的韌性。”
這項(xiàng)研究闡明了細(xì)胞如何在營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)變化、發(fā)育或應(yīng)激過(guò)程中維持蛋白質(zhì)平衡。它也為科學(xué)家如何解讀蛋白質(zhì)穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果以及早期胚胎細(xì)胞如何保持其韌性提供了新視角。
參考資料
[1] Core passive and facultative mTOR-mediated mechanisms coordinate mammalian protein synthesis and decay
