摘要：研究團隊近日深入分析了哺乳動物細胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除。
每個細胞都依賴蛋白質(zhì)來維持功能和健康。這些蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)合成，但不能無限期地堆積在細胞中。一旦它們完成使命或受到損傷，細胞就需要將其清除。
細胞通過分解蛋白質(zhì)并回收利用來實現(xiàn)這一功能。不過，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)，細胞必須不斷在兩者之間尋求平衡。
在進食后、壓力過大或服用某些藥物時，這種平衡可能會被打破。然而，細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，問題來了：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成發(fā)生變化時，細胞如何調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)清除？科學(xué)家們早就知道這兩個過程是相互關(guān)聯(lián)的，但缺乏一個清晰的定量模型來描述它們?nèi)绾螌崟r地協(xié)同運作。
圖1 核心被動機制與兼性mTOR介導(dǎo)機制協(xié)同調(diào)控哺乳動物的蛋白質(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正不斷對細胞產(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，否則我們的細胞體積會縮小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)符合被動適應(yīng)模型
圖1 核心被動機制與兼性mTOR介導(dǎo)機制協(xié)同調(diào)控哺乳動物的蛋白質(zhì)合成與降解
Suter教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊近日深入分析了哺乳動物細胞如何協(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)哺乳動物細胞普遍具有一種特性：它們能夠根據(jù)蛋白質(zhì)合成速率的變化來部分調(diào)整蛋白質(zhì)清除速率，這主要通過被動適應(yīng)機制來實現(xiàn)，” 他談道。
為了探究細胞如何應(yīng)對蛋白質(zhì)合成的變化，研究團隊使用了一種隨時間變色的特殊熒光蛋白（fluorescent timer）。這樣他們就能追蹤單個細胞中新蛋白質(zhì)的合成速度和舊蛋白質(zhì)的清除速度。
通過分析這些顏色變化，研究人員測定了兩個過程：蛋白質(zhì)主動分解及細胞生長和分裂過程中的蛋白質(zhì)稀釋。然后，他們將這些測量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進行比較。該模型預(yù)測，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成減緩時，細胞也會相應(yīng)減少其降解機制的組分合成，從而減緩蛋白質(zhì)的清除。
在所有測試條件下，數(shù)據(jù)均符合模型預(yù)測：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時，蛋白質(zhì)清除速度的下降恰好能夠部分補償。研究人員將此稱為“被動適應(yīng)（Passive Adaptation）”，這一過程有助于細胞在資源波動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)符合被動適應(yīng)模型
即使在不受外部因素干擾的細胞中，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，研究人員在分析小鼠胚胎干細胞時，發(fā)現(xiàn)了一層額外的保護機制。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時，這些細胞會激活一種名為mTOR的營養(yǎng)感知通路。這種反應(yīng)會增強蛋白質(zhì)合成能力，并進一步減少蛋白質(zhì)分解，使細胞的蛋白質(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。
他補充說，這種穩(wěn)定性可能對胚胎至關(guān)重要?！拔覀冋J為，對于植入前胚胎中的細胞來說，這可能是必需的，因為它們所處的環(huán)境十分惡劣，沒有血液供應(yīng)，營養(yǎng)也有限。這或許也能解釋為什么囊胚在體外受精的簡單培養(yǎng)條件下展現(xiàn)出如此強的韌性?！?/div>
這項研究闡明了細胞如何在營養(yǎng)供應(yīng)變化、發(fā)育或應(yīng)激過程中維持蛋白質(zhì)平衡。它也為科學(xué)家如何解讀蛋白質(zhì)穩(wěn)定性測量結(jié)果以及早期胚胎細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：研究團隊近日深入分析了哺乳動物細胞如何協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和清除。
每個細胞都依賴蛋白質(zhì)來維持功能和健康。這些蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)合成，但不能無限期地堆積在細胞中。一旦它們完成使命或受到損傷，細胞就需要將其清除。
細胞通過分解蛋白質(zhì)并回收利用來實現(xiàn)這一功能。不過，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)，細胞必須不斷在兩者之間尋求平衡。
在進食后、壓力過大或服用某些藥物時，這種平衡可能會被打破。然而，細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，問題來了：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成發(fā)生變化時，細胞如何調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)清除？科學(xué)家們早就知道這兩個過程是相互關(guān)聯(lián)的，但缺乏一個清晰的定量模型來描述它們?nèi)绾螌崟r地協(xié)同運作。
圖1 核心被動機制與兼性mTOR介導(dǎo)機制協(xié)同調(diào)控哺乳動物的蛋白質(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正不斷對細胞產(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，否則我們的細胞體積會縮小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)符合被動適應(yīng)模型
Suter教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊近日深入分析了哺乳動物細胞如何協(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)哺乳動物細胞普遍具有一種特性：它們能夠根據(jù)蛋白質(zhì)合成速率的變化來部分調(diào)整蛋白質(zhì)清除速率，這主要通過被動適應(yīng)機制來實現(xiàn)，” 他談道。
為了探究細胞如何應(yīng)對蛋白質(zhì)合成的變化，研究團隊使用了一種隨時間變色的特殊熒光蛋白（fluorescent timer）。這樣他們就能追蹤單個細胞中新蛋白質(zhì)的合成速度和舊蛋白質(zhì)的清除速度。
通過分析這些顏色變化，研究人員測定了兩個過程：蛋白質(zhì)主動分解及細胞生長和分裂過程中的蛋白質(zhì)稀釋。然后，他們將這些測量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型進行比較。該模型預(yù)測，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成減緩時，細胞也會相應(yīng)減少其降解機制的組分合成，從而減緩蛋白質(zhì)的清除。
在所有測試條件下，數(shù)據(jù)均符合模型預(yù)測：當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時，蛋白質(zhì)清除速度的下降恰好能夠部分補償。研究人員將此稱為“被動適應(yīng)（Passive Adaptation）”，這一過程有助于細胞在資源波動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)符合被動適應(yīng)模型
即使在不受外部因素干擾的細胞中，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，研究人員在分析小鼠胚胎干細胞時，發(fā)現(xiàn)了一層額外的保護機制。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成下降時，這些細胞會激活一種名為mTOR的營養(yǎng)感知通路。這種反應(yīng)會增強蛋白質(zhì)合成能力，并進一步減少蛋白質(zhì)分解，使細胞的蛋白質(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。
他補充說，這種穩(wěn)定性可能對胚胎至關(guān)重要?！拔覀冋J為，對于植入前胚胎中的細胞來說，這可能是必需的，因為它們所處的環(huán)境十分惡劣，沒有血液供應(yīng)，營養(yǎng)也有限。這或許也能解釋為什么囊胚在體外受精的簡單培養(yǎng)條件下展現(xiàn)出如此強的韌性。”
這項研究闡明了細胞如何在營養(yǎng)供應(yīng)變化、發(fā)育或應(yīng)激過程中維持蛋白質(zhì)平衡。它也為科學(xué)家如何解讀蛋白質(zhì)穩(wěn)定性測量結(jié)果以及早期胚胎細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
