Cell：不同類型的細胞竟具有相同的酶化學計量

為了生長和分裂，細胞依賴於獨特的酶混合物。這些酶每秒執行數百萬次化學反應。許多接力發揮作用的酶執行一系列相關聯在一起的化學反應，即「途徑（pathway）」，即在一種途徑中，一種化學反應的產物是下一種化學反應的起始物質。通過對參與化學反應的分子進行許多漸進式改變，一種途徑中的酶發揮至關重要的作用，比如將營養物轉化為能量或複製DNA。

數十年來，科學家們想知道一種途徑中的酶的相對數量是否受到嚴格控制以便更好地協調它們催化的化學反應。如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員證實細胞不僅產生精確數量的酶，而且進化壓力篩選出一種優選的酶比例。通過這種方式，酶的行為就像蛋糕中的成分，在蛋糕中，這些成分必須以正確的比例組合在一起，而且所有的生命可能都具有相同的酶配方。相關研究結果於2018年3月29日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry」。論文通信作者為麻省理工學院生物學助理教授Gene-Wei Li。論文第一作者為麻省理工學院物理學系研究生Jean-Beno?tLalanne。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007。

100多年來，生物學家們通過觀察酶在試管中催化化學反應來研究它們，近期他們利用X射線觀察這些酶的分子結構來研究它們。

然而，儘管科學家們多年來詳細描地述單個蛋白，但是他們仍然不了解細胞內的許多酶的基本特性。比如，迄今為止，人們還不可能預測細胞為了讓它自己的存活機會最大化所應產生的最佳酶量。

對物質（包括蛋白）的相對含量的研究被稱為「化學計量（stoichiometry）」。為了研究不同類型細胞中的酶化學計量，Li和他的同事們分析了三種不同的細菌物種---大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和需鈉弧菌（Vibrio natriegens）---以及釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。在這些細胞中，他們比較了21種負責各種任務（包括修復DNA、製造脂肪酸和將糖轉化為能量）的途徑中的酶數量。鑒於這些酵母和細菌物種經過進化能夠生活在不同的環境中，並且具有不同的細胞結構，比如是否存在細胞核，他們吃驚地發現所有的這四種細胞類型在所有研究的途徑中具有幾乎相同的酶化學計量。

Li團隊隨後詳細描述細菌如何實現一致的酶化學計量。細胞通過調節兩個過程來控制酶的產生。第一個過程為轉錄，即將包括在DNA鏈中的信息轉換成信使RNA（mRNA）的許多拷貝。第二個過程為翻譯，即核糖體通過對這些mRNA進行解碼而產生蛋白。通過分析所有三種細菌物種中的轉錄，Li團隊發現這些不同的細菌產生了不同數量的mRNA，這些mRNA編碼通路中的酶。

不同量的mRNA在理論上會導致蛋白產量差異，但是這些研究人員卻發現這些細胞調節它們的翻譯速率來彌補轉錄上的變化。產生更多mRNA的細胞減緩了它們的蛋白合成速度，而產生更少mRNA的細胞增加它們的蛋白合成速度。由於這種補償，酶化學計量在不同的細菌中保持不變。

在未來，Li和他的同事們將測試他們在細菌和酵母中的發現是否能夠延伸到人類身上。鑒於單細胞生物（如前面提及的三種細菌和釀酒酵母）和多細胞生物（如人類）不同地調節能量和營養物，並且經歷不同的選擇壓力，因此這些研究人員並不確定他們會發現什麼。

參考資料：Jean-Beno?t Lalanne, James C. Taggart, Monica S. Guo et al. Evolutionary Convergence of Pathway-Specific Enzyme Expression Stoichiometry. Cell, Published online: March 29, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.03.007

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