Optimalisering for selvproduksjon kan forklare mystiske egenskaper i ribosomet

Anonim

Optimalisering for selvproduksjon kan forklare viktige trekk ved ribosomer, proteinproduksjonsfabrikkene i cellen, rapporterte forskere fra Harvard Medical School in Nature den 20. juli.

I en ny studie viste et team ledet av Johan Paulsson, professor i systembiologi ved Harvard Medical School, matematisk at ribosomer er nøyaktig strukturert for å produsere ytterligere ribosomer så raskt som mulig, for å understøtte effektiv cellevekst og divisjon.

Studienes teoretiske spådommer reflekterer nøyaktige observerte storskala egenskaper av ribosomer. Avdekke hvorfor er de laget av et uvanlig stort antall små, jevnt dimensjonerte proteiner og noen få tråder RNA som varierer sterkt i størrelse - og gir perspektiv på utviklingen av en eksepsjonell molekylær maskin.

"Ribosomet er et av de viktigste molekylære kompleksene i hele livet, og det har blitt studert på tvers av vitenskapelige disipliner i flere tiår, " sa Paulsson. "Jeg var alltid forvirret av det faktum at det virket som om vi kunne forklare sine finere detaljer, men ribosomer har disse bizarre funksjonene som ikke ofte har blitt adressert, eller hvis det er på en utilfredsstillende måte."

Hver levende celle, enten en enkelt bakterie eller et menneskelig nevron, er et biologisk system som er dynamisk og komplekst som enhver by. Innenfor celler er det vegger, motorveier, kraftverk, biblioteker, resirkuleringssentre og mye mer, alle sammen for å sikre kontinuitet i livet.

De aller fleste av disse myriade strukturer er laget av og produsert av proteiner. Og disse proteinene er laget av ribosomer.

Mystiske funksjoner

Selv om forskere har låst opp hvordan ribosomer slår genetisk informasjon inn i proteiner ved atomoppløsning, avslører en molekylær maskin finjustert for nøyaktighet, hastighet og kontroll, har det ikke vært klart hvilke fordeler som ligger i flere av dens store funksjoner.

Ribosomer består av et oppsiktsvekkende stort antall forskjellige strukturelle proteiner, alt fra 55 til 80, avhengig av organismen type. Disse proteinene er ikke bare flere tall enn forventet, de er uvanlig korte og ensartede i lengden. Ribosomer er også sammensatt av to til tre tråder av RNA, som utgjør opptil 70 prosent av den totale massen av ribosomet.

"Uten å forstå hvorfor kollektive funksjoner eksisterer, er det litt som å se på en skog og forstå hvordan kloroplaster og fotosyntese fungerer, og ikke å kunne forklare hvorfor det er trær i stedet for gress, " sa Paulsson.

Så besluttet Paulsson og hans medarbeidere Shlomi Reuveni, en HMS postdoktor og Måns Ehrenberg fra Uppsala universitet i Sverige, å se på ribosomet i et annet lys.

"Vår gjennombrudd kom ved å zoome ut fra atomene og se på ribosomet fra et nytt perspektiv, " sa Reuveni. "Vi tenkte ikke på ribosomet som en maskin som produserer proteiner, men heller som produkt av proteinproduksjonen."

Skog for trærne

For en celle å dele, må den ha to fulle sett med ribosomer for å lage alle proteinene som dattercellene trenger. Hastigheten ved hvilken ribosomer kan gjøre seg selv, plasserer derfor en vanskelig grense for hvor rask celleinddeling oppstår. Paulsson og hans kolleger utviklet teoretiske matematiske modeller for hva ribosomens egenskaper skulle se ut om hastigheten var det primære selektive trykket som kjørte sin evolusjon.

Teamet regnet ut at fordelingen av oppdraget med å lage et nytt ribosom blant mange ribosomer - hver gjør en liten del av sluttproduktet - kan øke produksjonshastigheten med så mye som 30 prosent, siden hver ny ribosom bidrar til å gjøre flere ribosomer så snart som mulig de er opprettet, akselerere prosessen.

Dette representerer en enorm fordel for celler som trenger å dele seg raskt, for eksempel bakterier. Imidlertid tar proteinproduksjonsprosessen tid til å starte, og denne overheadkostnaden begrenser antall proteiner som en ribosom kan fremstilles av, ifølge matematikken.

Lagets modeller forutslo at en ribosom bør produseres mellom 40 og 80 proteiner for maksimal egenproduksjonseffektivitet. Hvert av disse proteinene skal være rundt tre ganger mindre enn et gjennomsnittlig cellulært protein, og de skal alle være omtrent like store.

Det viser seg at forskernes teori, utviklet helt uavhengig av laboratoriet, gjenspeiler nøyaktig den observerte proteinsammensetningen av ribosomet.

"En analogi for våre funn vil være å tenke på ribosomer, ikke som en gruppe snekkerne som bare bygger mange hus, men som snekkerne som også bygger andre snekkere, " sa Paulsson. "Det er da et incitament til å dele jobben i mange små biter som kan gjøres parallelt med å hurtigere sette sammen en annen komplett snekker for å hjelpe i prosessen."

Teori og virkelighet

Paulsson og hans kollegaer undersøkte også ribosomal RNA, som fungerer som en strukturell komponent og utfører ribosoms enzymatiske aktivitet ved å knytte aminosyrer sammen til proteiner.

Deres analyse viste at jo mer RNA en ribosom er laget av, desto raskere kan den produseres. Dette skyldes at cellene kan gjøre ribosomal RNA mye raskere enn protein. Således, mens RNA-enzymer antas å være mindre effektive enn proteinenzymer, har ribosomer stort trykk for å bruke så mye RNA som mulig for å maksimere hastigheten der flere ribosomer kan fremstilles.

"Et hvilket som helst sted ribosomet kan komme seg unna med å bruke RNA, bør det bruke det fordi selvproduksjonshastigheten i det vesentlige kan bli doblet eller tredoblet, " sa Paulsson. "Selv om RNA var dårligere enn protein for enzymatisk funksjon, er det fortsatt en stor fordel å bruke RNA hvis en celle prøver å produsere ribosomer så fort som mulig."

Denne observasjonen ble anslått å holde primært for selvproducerende ribosomer, ifølge teamet. De fleste andre strukturer i cellen produserer ikke selvproduksjon og kan ofre produksjonshastigheten for stabiliteten og effekten som er gitt ved bruk av protein i stedet for RNA.

Tvert sammen forutser lagets teori nøyaktig storskala egenskaper av ribosomet som ses på tvers av domener i livet. Det forklarer hvorfor de raskest voksende organismer, som bakterier, har de korteste ribosomale proteiner og de største mengder ribosomal RNA. I motsatt ende av spekteret er mitokondrier-kraftverkene til eukaryote celler, som antas å ha en gang vært bakterier som kom inn i en permanent symbiotisk tilstand. Mitokondrier har sine egne ribosomer som ikke produserer seg selv. Uten dette trykket er mitokondriale ribosomer faktisk laget av større proteiner og langt mindre RNA enn cellulære ribosomer.

"Da vi startet dette prosjektet, hadde vi ikke en lang liste over funksjoner som vi forsøkte å forklare gjennom teori, " sa Reuveni. "Vi startet med teorien, og visse funksjoner dukket opp. Når vi så på data for å sammenligne med hva vår matte forutsier, fant vi i de fleste tilfeller at de samsvarer med det som er sett i naturen."

I stedet for å være rene relikvier av en evolusjonær fortid, synes de uvanlige egenskapene til ribosomer å reflektere et ekstra lag med funksjonell optimalisering som virker på kollektive egenskaper av delene, skriver laget.

"Mens denne studien er grunnleggende vitenskap, tar vi opp noe som deles av alt liv, " sa Paulsson. "Det er viktig at vi forstår hvor begrensningene på struktur og funksjon kommer fra, for like mye grunnvitenskap er det uforutsigbart hva konsekvensene av ny kunnskap kan låse opp i fremtiden."

menu
menu