细菌细胞中核糖体结构异质性与蛋白质合成的奥秘：突破传统认知的探索

核糖体异质性在功能上是否具有特异性一直存在争议。纽卡斯尔大学等机构的研究人员，通过结合冷冻电镜（cryo-EM ）和断层扫描（cryo-ET）技术研究细菌细胞中核糖体的结构和功能，发现核糖体异质性不一定导致功能特化，该成果为相关领域研究提供新方向。

　　在生命的微观世界里，核糖体一直是备受瞩目的焦点。它作为蛋白质合成的 “工厂”，其结构和功能的奥秘吸引着无数科学家探索。长期以来，人们发现细胞内存在核糖体异质性现象，即同一生物或细胞内存在结构不同的核糖体群体。这一发现引发了科学界的热烈讨论，一种观点认为，这些结构不同的核糖体可能具有不同的功能特性，能够特异性地翻译特定的信使核糖核酸（mRNA） ，在细胞生长、应对环境变化等过程中发挥独特作用；然而，另一种观点则认为，许多核糖体异质性可能只是随机产生的、在功能上是中性的，或者仅仅与核糖体的生物合成调控有关。由于缺乏能够在体内观察单个且结构不同核糖体的有效工具，这一争议始终悬而未决，核糖体异质性在蛋白质合成过程中的核心活动差异以及细胞能否隔离不同结构的核糖体以实现其特定功能等关键问题，一直困扰着科研人员。

为了攻克这些难题，来自纽卡斯尔大学（Biosciences Institute, Newcastle University）、海德堡大学（Centre for Molecular Biology, Heidelberg University）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解核糖体的奥秘带来了新的曙光。

研究人员运用了冷冻电镜（cryo-EM）和冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）技术。cryo-EM 能够在接近生理状态下对生物大分子进行高分辨率成像，而 cryo-ET 则可以在细胞的天然环境中直接观察单个核糖体的分布、组成和活动。通过这些先进技术，研究人员对细菌细胞内的核糖体进行了细致的观察和分析。

研究结果如下：

1. bS20 是核糖体大亚基的结构成分：研究人员在对嗜冷杆菌（Psychrobacter urativorans）核糖体应激反应的研究中，意外发现了异质性核糖体。通过 cryo-EM 分析，他们在核糖体大亚基的溶剂侧观察到一个额外的小蛋白，经鉴定为核糖体蛋白 bS20。进一步研究发现，bS20 可以同时结合在 70S 核糖体的两个不同位点，并且通过对非应激、指数生长的 P. urativorans 细胞进行 cryo-ET 分析，证实了大亚基中额外拷贝 bS20 的存在。
2. 额外拷贝的 bS20 仅存在于部分细胞核糖体中：研究人员通过对指数生长的细菌细胞内核糖体的 cryo-ET 图谱分析，发现大亚基中 bS20 的信号较弱，表明其结合呈亚化学计量。通过聚焦分类分析，他们发现 bS20 存在于 100% 的小亚基中，但仅存在于约 67% 的大亚基中。这表明 P. urativorans 细胞含有两种结构不同的核糖体群体，一种携带一个拷贝的 bS20（1xbS20） ，另一种携带两个拷贝的 bS20（2xbS20）。
3. 两种类型的核糖体可互换并协同进行蛋白质合成：为了探究细菌细胞如何使用这些结构异质的核糖体，研究人员对核糖体的多个关键功能特征进行了原位评估。他们发现，1xbS20 和 2xbS20 核糖体在翻译周期的各个功能状态下比例相同，并且与触发因子（Trigger Factor）的结合比例也相同。此外，研究人员通过实施多聚核糖体追踪算法，发现两种类型的核糖体共同形成多聚核糖体，且在蛋白质合成过程中的延伸特性相同。这表明异质性核糖体可以在同一 mRNA 分子上协同进行蛋白质合成，大亚基中 bS20 的存在对核糖体结构而言是一种功能中性的内在变异。
4. 大亚基中 bS20 的结合位点在变形菌门中高度保守：研究人员对比了 bS20 在大小亚基中的结合位点，发现 bS20 与小亚基的接触更多，与大亚基的结合亲和力较弱。进一步的进化分析表明，bS20 序列在细菌中高度保守，但与大亚基蛋白 uL4 结合的残基仅在变形菌门中保守。这意味着 bS20 与大亚基的结合可能是变形菌门核糖体的标志性特征。

在讨论部分，研究人员指出，他们的研究直接观察到了单个细菌细胞内蛋白质合成过程中结构异质的核糖体，发现这些核糖体并不分离，而是等效且协同地在同一 mRNA 分子上发挥作用。这一发现与以往认为核糖体结构异质性必然导致功能特化的观点相悖，表明细胞核糖体能够承受分子结构的波动，而不会失去蛋白质合成所需的基本协同活动能力。此外，研究还揭示了核糖体结构可变化学计量的一种机制，即细菌细胞可能将多余的 bS20 直接沉积到核糖体结构中，这或许有助于细菌隔离游离的核糖体蛋白，防止其对细胞功能产生有害影响。

总的来说，这项研究通过先进的技术手段，深入探究了核糖体异质性的奥秘，为我们理解核糖体的结构与功能提供了重要依据，打破了传统认知，为后续相关领域的研究开辟了新的方向，推动了生命科学在核糖体研究方面的发展，具有重要的理论和实践意义。