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為了生長(zhǎng)和分裂，細(xì)胞依賴于*的酶混合物。這些酶每秒執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)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(guò)對(duì)參與化學(xué)反應(yīng)的分子進(jìn)行許多漸進(jìn)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(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為能量或復(fù)制DNA。

數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們想知道一種途徑中的酶的相對(duì)數(shù)量是否受到嚴(yán)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(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員證實(shí)細(xì)胞不僅產(chǎn)生數(shù)量的酶，而且進(jìn)化壓力篩選出一種優(yōu)選的酶比例。通過(guò)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(biāo)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(lái)自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007。

100多年來(lái)，生物學(xué)家們通過(guò)觀察酶在試管中催化化學(xué)反應(yīng)來(lái)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(lái)研究它們。

然而，盡管科學(xué)家們多年來(lái)詳細(xì)描地述單個(gè)蛋白，但是他們?nèi)匀徊涣私饧?xì)胞內(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(cè)細(xì)胞為了讓它自己的存活機(jī)會(huì)zui大化所應(yīng)產(chǎn)生的*酶量。

對(duì)物質(zhì)（包括蛋白）的相對(duì)含量的研究被稱為“化學(xué)計(jì)量（stoichiometry）”。為了研究不同類型細(xì)胞中的酶化學(xué)計(jì)量，Li和他的同事們分析了三種不同的細(xì)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(xì)胞中，他們比較了21種負(fù)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(xì)菌物種經(jīng)過(guò)進(jìn)化能夠生活在不同的環(huán)境中，并且具有不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，比如是否存在細(xì)胞核，他們吃驚地發(fā)現(xiàn)所有的這四種細(xì)胞類型在所有研究的途徑中具有幾乎相同的酶化學(xué)計(jì)量。

Li團(tuán)隊(duì)隨后詳細(xì)描述細(xì)菌如何實(shí)現(xiàn)一致的酶化學(xué)計(jì)量。細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)過(guò)程來(lái)控制酶的產(chǎn)生。*個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)程為翻譯，即核糖體通過(guò)對(duì)這些mRNA進(jìn)行解碼而產(chǎn)生蛋白。通過(guò)分析所有三種細(xì)菌物種中的轉(zhuǎn)錄，Li團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些不同的細(xì)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(huì)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(xì)胞調(diào)節(jié)它們的翻譯速率來(lái)彌補(bǔ)轉(zhuǎn)錄上的變化。產(chǎn)生更多mRNA的細(xì)胞減緩了它們的蛋白合成速度，而產(chǎn)生更少mRNA的細(xì)胞增加它們的蛋白合成速度。由于這種補(bǔ)償，酶化學(xué)計(jì)量在不同的細(xì)菌中保持不變。

在未來(lái)，Li和他的同事們將測(cè)試他們?cè)诩?xì)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(xì)胞生物（如前面提及的三種細(xì)菌和釀酒酵母）和多細(xì)胞生物（如人類）不同地調(diào)節(jié)能量和營(yíng)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(huì)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