Science：新研究揭示了基因表达的分子基础

　　

一项国际研究合作揭示了基因表达的分子基础，这是支撑所有生物体如何利用其遗传信息的基本生物学过程。

研究小组使用了一种先进的显微镜技术，以前所未有的细节捕捉到了一个关键时刻，遗传信息被翻译成形成自然结构和生化过程的蛋白质。

“我们的研究揭示了这些分子如何像复杂的机器一样工作。约翰英纳斯中心的研究小组负责人、发表在《Science》杂志上的这项研究的作者之一Michael Webster博士说：“我总是惊讶于有可能在实验室的试管中重建如此复杂和生物学基础的过程。有机会使用强大的成像技术来回答研究人员长期感兴趣的问题，这是特别令人兴奋的。”

这些发现为研究界提供了研究细菌如何对环境做出反应的机会，并且由于叶绿体的相似之处，植物如何调整其光合作用活动以满足其需求。

蛋白质是通过解码储存在DNA中的遗传信息而产生的。几十年来，研究人员一直试图了解信息是如何从基因的核苷酸序列复制到蛋白质的氨基酸序列的。

DNA序列本身没有能力发挥作用，而是以蛋白质结构和生化活动的形式表达自己，因此被称为基因“表达”。

参与基因表达的一个核心分子是核糖体，它是一种分子机器，可以读取遗传信息的转录副本，称为信使RNA (mRNA)，以制造新的蛋白质。

虽然人们对核糖体如何解码mRNA（一个被称为“翻译”的过程）了解很多，但一个关键的悬而未决的问题是核糖体如何首先找到它要解码的mRNA。

为了找到这个问题的答案，研究小组对从细菌中纯化出来的核糖体进行了成像，并与其他成分组装成模拟它们与mRNA相遇的状态。

利用低温电子显微镜（cryo-EM），他们建立了核糖体- mRNA组装体的原子模型。这使他们能够非常详细地可视化这个过程。

众所周知，细菌核糖体可以通过多达三种分子相互作用被带入mRNA：一种被称为Shine-Dalgarno motif的RNA序列，一种与RNA结合的蛋白质被称为S1，以及产生mRNA的酶被称为RNA聚合酶。

这些相互作用是否能够协同将mRNA传递到核糖体尚不清楚。

这项研究揭示了这些核糖体-mRNA相互作用之间如何发生协调。它揭示了mRNA可以通过核糖体表面的一条途径到达解码发生的地方。

该合作项目推动了该领域长达数十年的努力，以了解基因表达如何在分子水平上发生，为途径中单个但关键的事件如何发生提供了新的线索。令人惊讶的发现是，确实存在一种机制，可以帮助mRNA传递到核糖体进行翻译。以前很清楚，核糖体必须以某种方式在正确的mRNA上找到正确的位置来开始蛋白质合成。对我来说，这表明在分子以必要的方式相互作用之前，可能需要很长时间的搜索。约翰·英纳斯中心的组长Michael Webster说：“我很惊讶我们的结构模型清楚地显示细菌核糖体可以为进入的mRNA开辟一条路径。这种分子排列显然会使寻找mRNA的翻译工作变得容易得多。”

揭示的分子机制也与植物叶绿体有关，叶绿体是细菌的后代，已经成为植物的细胞器。Webster小组打算以这种对细菌型基因表达的新理解为基础，研究其对叶绿体中光合蛋白生产的贡献。这一领域与我们如何开发更好地适应气候挑战的作物有关。

这项合作研究涉及约翰英纳斯中心和斯特拉斯堡IGBMC的低温电镜专家、密歇根大学的单分子动力学分析专家和柏林工业大学的结构蛋白质组学专家的协调努力。