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推翻自噬假设!Nature发布真实核糖体循环

当你把细胞视为一座城市,细胞器就仿佛一幢幢发电厂、工厂、道路、图书馆、仓库等等。建筑需要大量资源来建设和运营,当资源稀缺时,内部的组成部分必须回收利用,以提供必要的建筑构件,特别是氨基酸,以维持重要功能。

但是细胞在饥饿时如何决定回收什么呢?一种流行的假说认为,饥饿的细胞更喜欢通过自噬(一种大量降解蛋白质的过程)循环利用核糖体。

然而,哈佛医学院的科学家们的新研究表明,情况并非如此。在7月份发表在《Nature》杂志上的一项研究中,他们系统地调查了正常和缺乏营养的细胞的整个蛋白质结构,以确定哪些蛋白质和细胞器会被自噬降解。

分析显示,与预期相反,核糖体并不是通过自噬优先循环,而是通过少量其他细胞器(例如内质网的部分)被降解来回收利用的。

“当细胞处于饥饿状态时,它们不会通过自噬来随意降解核糖体。相反,它们似乎有控制循环利用的机制,”资深研究作者Wade Harper说,他是哈佛医学院(HMS)Blavatnik研究所的分子病理学教授和细胞生物学主席。

Harper说:“我们的发现让我们重新思考以前的假设,更好地理解细胞如何处理有限的营养物质,这是生物学中的一个基本问题。”

蛋白质周转是每个细胞内经常发生的普遍现象。为了回收不需要的或错误折叠的蛋白质,移除受损的细胞器,并执行其他内部管理任务,细胞主要利用两个工具,自噬和泛素蛋白酶体系统。

自噬(Autophagy)源于希腊语,意思是“自我进食”,通过将蛋白质吞噬在泡状结构中并将其运输到细胞的废物处理细胞器(称为溶酶体)中,使细胞能够大量降解蛋白质,以及更大的细胞结构。

相反,蛋白酶体途径允许细胞通过标记泛素来分解单个蛋白质,泛素修饰的蛋白质随后被蛋白酶体识别并降解。

惊人的差异

核糖体含量丰富,是关键氨基酸和核苷酸的储存库。先前对酵母的研究表明,缺乏营养的细胞利用自噬来专门回收核糖体,然而,细胞有许多其他机制来调节核糖体水平,而当营养物质不足时,它们是如何调节核糖体水平的还不完全清楚。

利用定量蛋白质组学和遗传工具的结合,Harper和他的同事研究了缺乏关键营养素的细胞中蛋白质的组成和周转。为了探究自噬的作用,他们还将注意力集中在具有遗传或化学抑制自噬系统的细胞上。

他们首先进行的一项分析显示,在饥饿的细胞中,总核糖体蛋白质水平相对于其他蛋白质水平只略有下降。这种减少似乎与自噬无关。缺乏自噬能力的细胞在缺乏营养时没有明显的缺陷。

“这是一个非常令人惊讶的发现,它与现有的假设相悖,它确实让我们认为,我们在思考自噬及其在核糖体降解中的作用时,缺少了一些东西,”Harper说。“这个简单的结果隐藏了我们试图揭示的大量生物学现象。”

为了寻找这种差异的解释,该研究小组由HMS的细胞生物学研究员Heeseon An和Alban Ordureau牵头,系统地分析了新核糖体的产生以及现有核糖体在饥饿细胞中的命运。

他们使用了多种互补技术(包括Ribo-Halo),荧光标签标记不同的核糖体成分。他们可以在不同的时间点应用这些标签,测量在一个细胞水平上有多少新的核糖体被合成,以及在一段时间后有多少旧核糖体仍然存在。

实验显示,当细胞缺乏营养时,导致核糖体整体水平降低的主要因素是通过非自噬依赖的途径,新核糖体的合成和周转减少。然而,细胞体积和细胞分裂率也降低了,这使得细胞能够保持核糖体的细胞密度。

接下来,研究小组检测了营养缺乏期间整个细胞8300多种蛋白质的降解模式。他们证实,核糖体的转换模式似乎与自噬无关,相反,与已知通过泛素蛋白酶体系统降解的蛋白质相匹配。

“利用我们的定量蛋白质组学工具箱,我们可以以一种无偏差的方式同时观察在有或没有自噬的不同条件下,数千种蛋白质是如何在细胞内合成和周转的,”Ordureau说。“这使我们能够获得一个全局的图像,而不是基于对有限数量的蛋白质的分析得出的推论。”

分析表明,自噬降解的细胞器和蛋白质数量比核糖体,尤其是内质网的降解量要高,Harper实验室此前已经证明,在营养胁迫期间,自噬可以选择性地重塑内质网。

作者说,这些蛋白质组的数据可能揭示了其他细胞器和蛋白质,这些细胞器和蛋白质在营养胁迫下被选择性降解,研究小组正在进行进一步的分析。

总之,这些发现揭示了饥饿细胞如何对营养压力作出反应,特别是澄清了先前关于核糖体周转的假设。作者说,关键的是,研究结果表明,蛋白质体依赖性核糖体的转化在营养胁迫期间可能比自噬作用更大。

这是朝着更好、无偏见地理解自噬迈出的重要一步。

An说:“控制自噬现在在很多领域热门,例如通过让肿瘤细胞缺乏关键营养物质来杀死肿瘤细胞,或者让神经元清除有害的蛋白质聚集体。但我们对自噬的理解还不完整,很多方面还不清楚。”

她补充道,直到近,科学家才发现饥饿诱导的自噬是有选择性的,诸如什么细胞器是针对什么,以及为什么,自噬是只影响受损的细胞器还是随机的细胞器等问题,还有许多其他问题大多没有答案。

An说:“我们利用饥饿的背景来更好地了解细胞是如何利用自噬的,以及在什么情况下,更好地理解这个重要的过程。”

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