研究人员发现，在酵母和细菌中执行相同功能的酶可能具有不同的结构，但在每种类型的细胞中以相同的相对量存在。图像：Haynathart / Wikimedia Commons
通过研究细菌和酵母菌，麻省理工学院的研究人员发现，种类繁多的细胞仍具有基本的相似性，它们在物种间保存并随着时间的流逝而精制。更具体地说，这些细胞包含相同比例的专门蛋白质，称为酶，它们协调细胞内的化学反应。
为了生长和起皮，细胞依赖于独特的酶混合物，该混合物每秒可进行数百万次化学反应。许多酶在继电器中起作用，它们执行一系列链接在一起的化学反应，称为“途径”，其中一个化学反应的产物是下一个化学反应的起始原料。通过对分子进行许多增量改变，途径中的酶可以执行重要功能，例如将营养物转化为能量或复制DNA。
数十年来，科学家一直想知道是否严格控制了途径中酶的相对含量，以便更好地协调其化学反应。现在，研究人员已经证明，细胞不仅会产生精确量的酶，而且进化压力会选择酶的最佳比例。这样，酶的行为就像蛋糕的成分，必须以正确的比例混合，所有生命都可能共享相同的酶配方。
麻省理工学院生物学助理教授Gene-Wei Li说：“我们仍然不知道为什么这种酶的组合是理想的，但是这个问题开辟了一个全新的生物学领域，我们称之为系统水平的优化。途径。在这一学科中，研究人员将研究在复杂细胞环境中不同酶和途径的行为。”
李是这项研究的资深作者，该研究于3月29日在线发表在Cell杂志上，并于4月19日出版。该论文的主要作者让·贝诺·拉兰（Jean-BenoîtLalanne）是麻省理工学院物理系的一名研究生。
意外的观察
100多年来，生物学家通过观察酶催化试管中的化学反应来研究酶，最近（使用X射线观察其分子结构）也得到了研究。
然而，尽管经过多年的努力，对单个蛋白质的描述非常详细，但科学家们仍不了解细胞内酶的许多基本特性。例如，尚不可能预测细胞应制造的最佳酶量以最大化其存活机会。
该计算很棘手，因为答案不仅取决于酶的特定功能，还取决于其作用如何对细胞内的其他化学反应和酶产生连锁反应。
“即使我们确切地知道一种酶的作用，”李说，“我们仍然不知道细胞会制造多少蛋白质。关于生化途径的思考甚至更加复杂。如果我们给生物化学家三种途径的酶，例如将糖分解为能量，他们可能将不知道如何以适当的比例混合蛋白质以优化反应。”
对包括蛋白质在内的物质相对含量的研究被称为“化学计量”。为了研究不同类型细胞中酶的化学计量，李和他的同事分析了三种不同的细菌，即大肠杆菌，枯草芽孢杆菌和纳氏弧菌，以及出芽的酿酒酵母。在这些细胞中，科学家们比较了21种途径中各种酶的数量，这些途径负责各种任务，包括修复DNA，构建脂肪酸以及将糖转化为能量。由于这些种类的酵母和细菌已经进化为生活在不同的环境中，并且具有不同的细胞结构，例如是否存在核，研究人员惊讶地发现，所有四种细胞类型在所有检查的途径中都具有几乎相同的酶化学计量。
Li的团队详细介绍了细菌如何实现一致的酶化学计量，以跟踪他们意想不到的结果。细胞通过调节两个过程来控制酶的产生。首先是转录，将一条DNA链中包含的信息转换成许多信使RNA（mRNA）副本。第二种翻译是在核糖体解码mRNA以构建蛋白质时发生的。通过分析所有三种细菌的转录，李的团队发现不同的细菌产生不同数量的mRNA编码途径中的酶。
理论上，不同量的mRNA会导致蛋白质产生的差异，但研究人员发现，细胞会调节其翻译速率以补偿转录的变化。产生更多mRNA的细胞减慢了蛋白质合成的速度，而产生更少mRNA的细胞则提高了蛋白质合成的速度。由于这种补偿，不同细菌之间的酶化学计量保持恒定。
“值得注意的是，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌需要相对相同数量的相应蛋白质，如转录和翻译效率的补偿性变化所见，”瑞典乌普萨拉大学物理生物学教授约翰·埃尔夫说。“这些结果引发了有关不同细胞中酶产生如何演变的有趣问题。”
第一作者拉兰妮说：“检查细菌基因簇确实很惊人。”“在漫长的进化历史中，这些基因发生了位移，突变成不同的序列，并受到随机插入自身进入基因组的可移动DNA的轰击。尽管如此，细菌仍通过调节翻译以维持其酶的化学计量来补偿这些变化。这表明我们尚不了解的进化力使异型细胞具有相同的酶化学计量。”
寻找调节人体健康的化学计量
将来，李和他的同事们将测试他们在细菌和酵母中的发现是否会扩展到人类。由于单细胞和多细胞生物对能量和营养的管理方式不同，并且承受着不同的选择压力，因此研究人员不确定他们会发现什么。
李说：“也许会有化学计量比变化的酶，而其中一小部分酶的保守性更高。”“这表明人体对特定酶的变化敏感，这些酶可能会成为良好的药物靶标。但是，直到我们看时，我们才知道。”
Li和他的团队相信，除了人体之外，还可以在所有细胞内复杂的分子内部找到简单性。像自然界中的其他数学模式（例如贝壳的螺旋形或树木的分支模式）一样，酶的化学计量可能是生活中广泛使用的设计原理。
该研究由美国国立卫生研究院，皮尤生物医学学者计划，斯隆研究奖学金，塞尔学者计划，加拿大国家科学与工程研究委员会，霍华德·休斯医学研究所，国家科学基金会，海伦·海·惠特尼基金会，简·科芬·Childs资助。纪念基金和史密斯家庭基金会。
出版物：Jean-BenoîtLalanne等人，“途径特异性酶表达化学计量的进化收敛”，细胞，2018年； doi：10.1016 / j.cell.2018.03.007
