Science：細胞也懂「經濟學」？看看「聰明」的腸道細胞如何高效消化食物

生物探索

編者按

在微觀世界，細胞懂得以一種「最經濟」的方式進行生產活動。近日，發表於Science上的一項研究發現，當我們進食時，腸道上皮細胞的mRNA分布會產生極化，細胞將大量編碼核糖體和相關蛋白質的mRNA運送到與食物接觸的一側，從而提升翻譯效率。

在工商業領域，當一個個體必須進行快速生產時，他們往往需要作出一些即時決策，比如：立即將所有的資源投入到現有設備來提高產量；或者是先將這些資源用來為車間裝備合適的器械。後者似乎是一種效率較低的生產方法，但實際上，在某些情況下，它可以大大加快速度。魏茨曼的分子細胞生物學系的Shalev Itzkovitz博士和他的團隊發現，這正是腸道壁處理食物時所用的方法。每當我們進食時，腸道內的細胞就會選擇這樣一種「最經濟」的方式增強他們的活動。這一研究發表在近日的Science期刊上。

腸上皮由單層腸上皮細胞組成，它從頂端的一側吸收營養物質，再通過基底的一側將其分泌進血液中。研究人員發現，細胞的兩側的mRNA組成不同：腸道中表達的大約30%的基因所生產的mRNA，要麼出現在細胞頂側，要麼在基底側。而蛋白質製造機器——核糖體，在細胞兩側也存在差異：食物側的核糖體數量是血流側的兩倍。結果導致，前者的蛋白質生產效率更高。

編碼不同基因的mRNA（綠色和紅色熒光）分布在上皮細胞（藍色：細胞核）兩側。圖片來源：Science。

通過進一步研究，科學家們發現，當食物一旦進入腸道，腸壁細胞會立即通過增加核糖體產生來作出響應，尤其是在細胞與食物接觸的一側。為此，細胞將大量編碼核糖體的mRNA運送到食物側的區域。細胞的這一部分變成了一個集中的生產車間，合成處理食物所需的各種蛋白質。

Itzkovitz解釋道:「在大多數晝夜，腸道內的細胞都無所事事，但食物一出現，它們就必須立即採取行動。」為製造新蛋白質從DNA轉錄生成RNA分子大約要耗費細胞半個小時。不過，它們可以通過將編碼相關蛋白質的mRNA轉移到富含核糖體的細胞的一側，從而在幾分鐘內增加某些蛋白質的產量。這一策略使它們能夠以一種快速有效的方式處理食物的到來。

在禁食小鼠中，編碼核糖體蛋白的mRNA儲存在腸道上皮細胞內翻譯活性較低的基底側，再餵食使mRNA轉移到翻譯活性較高的頂側，這種轉移提高了翻譯效率，增加了包括核糖體在內的蛋白合成。圖片來源：Science。

和宏觀世界一樣，微觀世界的生命活動過程同樣遵循事物發展的基本原則：在任何情況下力求以最小的耗費取得有利於自身發展的最大效益，這項研究再次引出了細胞的「經濟學」問題。除此之外，這些發現可能也有醫學意義，因為腸壁在吸收營養和保護機體方面扮演著重要角色。現在可以研究mRNA是否在轉移到細胞適當部位時出現故障；或者mRNA在細胞高-低生產區域之間是否存在失衡——這些問題可能在結腸炎、克羅恩病等疾病甚至腸癌中具有一定意義。

End

參考資料：1）Global mRNA polarization regulates translation efficiency in the intestinal epithelium

2）The lining of our intestines uses an approach known to business to quickly process food

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！