Cell：从结构生物学上揭示蛋白质合成的过程和机理

生物谷

An overview of protein synthesis.
Within the nucleus of the cell (light blue), genes (DNA, dark blue) are transcribed into RNA. This RNA is then subject to post-transcriptional modification and control, resulting in a mature mRNA (red) that is then transported out of the nucleus and into the cytoplasm (peach), where it undergoes translation into a protein. mRNA is translated by ribosomes (purple) that match the three-base codons of the mRNA to the three-base anti-codons of the appropriate tRNA. Newly synthesized proteins (black) are often further modified, such as by binding to an effector molecule (orange), to become fully active.

       活细胞中各种各样的蛋白质担负着细胞大部分的工作。基因中的脱氧核糖核酸（DNA）序列发布制造这些蛋白质的指令。各种活体生物细胞中的核糖体和微型蛋白质加工厂分别负责从事读取基因指令和合成特定蛋白质的关键性工作。

　　Harry F. Noller是加州大学圣克鲁兹分校的一名分子生物学教授。他从事核糖体研究已经30多年。他研究的主要目标就是解开核糖体是如何工作和发展的。许多最为有效的抗生素的对象就是细菌核糖体。洛勒尔和其它科学家取得的研究成果推动了新型抗生素的开发，这些抗生素可以杀死那些对目前使用药物产生抗体的细菌。比如抗药性葡萄球菌感染就医院所面临的一个极为严重的问题。

　　洛勒尔实验室在1999年至2001年间取得突破，他们制作出了首个完整分子结构的高清晰图。现在，他所领导的研究小组已经制作出了更为高清晰的分子结构图，这使他们具备制作核糖体原子模型的能力。

　　新分子结构图为我们展示了以前从未见过的详细细节，并为我们展现出蛋白质合成过程中参与合成的确切核糖体部分。一篇专门论述此项研究发现的论文将刊登在9月22日的Cell杂志中。

　　洛勒尔说，“现在我们能对过去几十年生物化学和遗传研究的许多结论进行解答。我们制作出的分子结构图将使我们全面了解核糖体的整个活动过程”。核糖体是由蛋白质和核糖核酸分子组成的复杂分子机器。洛勒尔实验室研究的细菌（嗜热栖热菌）核糖体由三个不同核糖核酸分子和50个不同蛋白质组成。

　　洛勒尔在二十世纪七十年代初期就提出核糖体中的核糖核酸成分担负着核糖体的关键功能。在当时，洛勒尔的这种想法被认为是“疯子观点”，但是洛勒尔和其它科学家的后续研究却证明他的观点是正确的。

　　加州大学圣塔克鲁斯分校核糖核酸分子生物学中心主任洛勒尔说，“当我们首次提出此项观点的时候，很多人认为我们的观点极其异端的。但是现在大家已经接受这种观点。我们最近的研究确认核糖体中的核糖核酸在核糖体的功能发挥方面起着关键性作用。蛋白质也起着很重要的作用，但是比起核糖核酸来却要逊色一些”。

　　为了制造一个新的蛋白质，基因中的脱氧核糖核酸序列会首先将一个遗传指令复制成一个核糖核酸分子      信息。此时核糖体从核糖核酸信息中读取遗传代码，而后将该代码植入蛋白质结构当中。

　　蛋白质是一种通过折叠成复杂三维形状来执行其功能的线性分子。他们由氨基酸建筑块组成。氨基酸的排列顺序决定蛋白质的结构。氨基酸经核糖核酸分子转输进入核糖体中。在核糖体中，核糖核酸传输时通过核糖核酸信息认证特定序列的遗传代码，而后氨基酸以正确的序列加入其中。

　　洛勒尔研究小组制作的分子结构图不仅展示了核糖体的完整结构，而且还展示了核糖核酸信息及两个核糖核酸传输的整个范围。洛勒尔说，“我们现在掌握了核糖体、核糖核酸信息和核糖核酸传输之间相互作用的大部分情况”。

　　此项研究成果使我们对分子活动机理有了一个粗细的了解。洛勒尔将他制作的分子结构图与其它科研小组的分子结构图进行了比较，他发现核糖体或者核糖体的下层结构位置不同。目前他正在探索分子活动中核糖体活动的线索。他说，“我们下一步目标就是跟踪核糖体的其它功能，以制作出更为详细的核糖体分子结构图”。

        此篇论文的作者除了Harry F. Noller外，还包括博士后研究员安德烈.库洛斯德勒维、资深科学家色尔格.特拉克哈洛维和博士后研究员马丁.劳尔博格。研究人员使用了一种名为X射线结晶学的技术，该技术能制造出净化核糖体晶体，而后使用聚集X射线光束透视这些晶体，并对产生的不同衍射模式进行分析。洛勒尔说，特拉克哈洛维负责准备这些晶体，库洛斯德勒维和劳尔博则负责利用结晶学对晶体进行实验，并找出核糖体的结构。

原始出处：

Crystal Structure of a 70S Ribosome-tRNA Complex Reveals Functional Interactions and Rearrangements

Andrei Korostelev, Sergei Trakhanov, Martin Laurberg, and Harry F. Noller
10.1016/j.cell.2006.08.032
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蛋白质合成示意图

信使RNA在细胞核中合成以后，从核孔进入到细胞质中，与核糖体结合起来（如上图）。核糖体是细胞内利用氨基酸合成蛋白质的场所。那么，氨基酸是怎样被运送到核糖体中的信使RNA上去的呢？这需要有运载工具，这种工具也是一种RNA，叫做转运RNA（简写为tRNA），转运RNA的种类很多，但是，每种转运RNA只能识别并转运1种氨基酸。这是因为在转运RNA的一端是携带氨基酸的部位，另一端有3个碱基，每个转运RNA的这3个碱基，都只能专一地与信使RNA上的特定的3个碱基配对。当转运RNA运载着1个氨基酸进入到核糖体以后，就以信使RNA为模板，按照碱基互补配对原则，把转运来的氨基酸放在相应的位置上。转运完毕以后，转运RNA离开核糖体，又去转运下一个氨基酸。

当核糖体接受两个氨基酸以后，第二个氨基酸就会被移至第一个氨基酸的位置上，并通过肽键与第一个氨基酸连接起来，与此同时，核糖体在信使RNA上也移动3个碱基的位置，为接受新运载来的氨基酸做好准备。上述过程如此往复地进行，肽链也就不断地延伸，直到信使RNA上出现终止密码子为止。