核糖体的研究综述

核糖体的研究综述 安钰坤 摘要：核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒，主要由RNA(rRNA）和蛋白质构成，其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。核糖体的研究对生物生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。对核糖体的研究是近年来生命科学研究的热点 ,本文综述了核糖体的研究现状。关键字：核糖体，蛋白质，亚基1.核糖体的发现与功能 核糖体是由罗马尼亚籍细胞生物学家乔治埃米尔帕拉德(George Emil Palade)用电子显微镜于1955年在哺乳类与禽类动物细胞中首次发现的，他将这种新细胞器描述为密集的微粒或颗粒1。一年之后，A. J. Hodge等人在多种植物的体细胞中也发现了核糖体，可是当时人们仍无法将微粒体中的核糖体完全区分开来。后来，乔治帕拉德以及阿尔伯特克劳德和克里斯汀德迪夫因发现核糖体于1974年被授于诺贝尔生理学或医学奖。虽然核糖体作为一种细胞器在20世纪50年代初期已被发现，但对这种细胞器仍没有统一的命名。直到1958年，科学家理查德B罗伯茨才推荐人们使用“核糖体”一词。（图1为典型的细胞图解） Figure 1：典型的细胞图解，其中显示了几种主要细胞器及一些重要细胞结构：1.核仁 2.细胞核 3.核糖体4.囊泡 5.糙面内质网 6.高尔基体 7.细胞骨架8.光面内质网 9.线粒体 10.液泡 11.细胞质12.溶酶体 13.中心粒 核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particle），主要由RNA(rRNA）和蛋白质构成，其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链。因此核糖体是细胞不可缺少的基本结构，存在于所有细胞中。核糖体往往并不是单个独立地执行功能，而是由多个核糖体串连在一条mRNA分子上高效地进行肽键的合成。这种具有特殊功能与形态的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体。（图2为核糖体合成蛋白质过程） Figure 2：核糖体合成蛋白质2.核糖体的合成与结构在细菌细胞中，核糖体是通过对多个rDNA的操纵子的转录在细胞质中合成的2。而在真核细胞中，核糖体的合成主要发生在细胞核的核仁（细胞核中的一个区域）里。在该区域中，rDNA转录产生的45S rRNA前体（rRNA的前体分子）与从细胞质中运来的蛋白质结合形成80S rRNP前体，80S rRNP前体再经过加工（其中的45S rRNA前体被RNA酶裂解成5.8S rRNA、18S rRNA及28Sr RNA的较小的rRNA片段），在5-10min内剪切成32S rRNP和20S rRNP。20S rRNP在5min内再经加工形成12S rRNP，率先装配成40S核糖体亚基。32S rRNP在经加工剪切为28S rRNP及5.8S rRNP后，需耗费约30min才能与在核仁外合成的5S rRNA（5S rDNA不定位在核仁组织区）共同装配成60S核糖体亚基。大小亚基装配完成后，可经核孔排入细胞质。核糖体一般的合成过程需要超过200种蛋白质的协同配合来完成聚合、加工核糖体内的4个rRNA，以及将rRNA和多种核糖体蛋白捆绑、组装在一起。 核糖体都由一大一小两个亚基构成，这两个亚基中各具有为合成中的肽链、mRNA、tRNA及翻译因子等分子提供的特殊的结构5。核糖体大亚基与小亚基之间存在称为“桥”的接触面，总共有12对桥将大、小亚基连接起来，它们还起到大、小亚基间传递信息的作用。70S核糖体的这些桥中，除了3对桥中包含了RP，其余的桥都由rRNA组成。rRNA桥主要由16S rRNA小沟与23S rRNA小沟之间的相互作用来建立。rRNA-RP桥则通过蛋白质识别RNA结构而实现。（图3为核糖体的组成） 核糖体大亚基外侧边缘有三个较明显的凸起，凸起之间有两处凹陷。大亚基内部有一条起源于肽酰转移酶中心附近，横贯大亚基的、为合成中的肽链提供的狭长通道（称为“肽链输出通道”），这条通道长约35aa（约8.5nm）。各种原核生物50S大亚基肽链输出通道的孔径大小并不完全相同（孔径最大约2nm，最小约1nm），主要由23S rRNA构成，同时需要一些RP（如L4、L22、L39等）辅助成形。有研究认为该通道具有动态的结构，不仅能与新生肽链中的效应模体相互作用调节翻译效率，而且能够调节通过通道的多肽链的共翻译折叠及翻译后修饰3。 核糖体小亚基大致呈扁弧形，一面也有凹陷。在小亚基一端约三分之一处有一条为mRNA穿过提供的凹槽（也称为小亚基的“颈部”），该凹槽处的空间局限使得mRNA的解码区呈现U形转角构象。在进行翻译前，两个游离的亚基结合在一起，协同翻译夹在两者之间的mRNA链。Figure 3 核糖体大亚基（红色）和核糖体小亚基（蓝色）相互嵌合组成完整的核糖体3.核糖体的研究进展 从20世纪80年代探索核糖体的结晶开始，在1980年，Yonath 研究组报道了Bacillusstearothermophilus(现称为 Geobacillusstearothermophilus，嗜热脂肪地芽孢杆菌)核糖体50 S亚基的结晶。1987年他们又报道了可以衍射到6分辨率的50 S 亚基晶体。同年，另一个研究组报道了30 S 和 70 S 的 Thermus thermophilus 核糖体的结晶，而 Yonath 研究组也大约在同时报道了T. thermophilus 核 糖 体 的 结 晶。1991 年，Yonath 研究组首先得到了高分辨率的核糖体晶体3.0分辨率的 Haloarcula marismortui 核糖体50 S 亚基晶体。 20世纪90代以来一系列大分子晶体学技术方面的进展为核糖体结构解析提供了重要的基础。例如，在液氮温度下收集衍射数据极大地提高了核糖体抗辐射性能，而核糖体也是最早应用这一技术的晶体。1991 年，Yonath 研究组报道了在3分辨率下对 H. marismortui 核糖体 50 S 亚基的结构尝试性初步分析，这是这个领域里的一个重要突破。2000 年，一系列高分辨率核糖体晶体结构被发表。Steitz 研究组报道了H. marismortui核糖体50S亚基的2.4分辨率结构，Ramakrishnan 研究组报道了T. thermophilus核糖体30 S亚基的3.0分辨率结构，而Yonath研究组也报道了同一个分子的3.3分辨率结构。2005 年，美国加州大学的一个研究组报道了大肠杆菌核糖体全分子 (70 S)的3.5分辨率结构。这些高分辨率的晶体结构为核糖体酶学机理的研究提供了坚实的基础 2009 年 10 月 7 日，瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔化学奖授予英国剑桥大学 MRC 分子生物学实验室科学家文卡特拉曼拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)，美国耶鲁大学科学家托马斯施泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列魏茨曼科学研究所科学家阿达约纳特(Ada E. Yonath)，以表彰他们在核糖体结构和功能的研究方面所做的贡献。这三位科学家都是用 X 射线晶体学技术测定核糖体的高分辨率分子结构并研究其结构与功能关系而获此殊荣，并平分奖金。 近年，致病菌的抗药性已经成为一个全球性的公共健康问题，每年被细菌感染夺去生命的人数逐年上升，而可用于治疗多种抗药性感染的抗生素种类已近枯竭。现在已知的抗菌素约有一半是以细菌的核糖体作为作用靶标，细菌核糖体高分辨率的晶体结构的解析又重新燃起了人们开发全新抗生素的热情，三个获奖人之中的 Steitz 已经成立了一个药物开发公司，设计和开发以细菌核糖体为靶标的抗生素，并已取得初步进展。参考文献1 G.E. Palade. A small particulate component of the cytoplasm. J Biophys Biochem Cytol. 1955-01, 1 (1): 5968. PMID 143814282Hamilton, M.G. and OBrien, T.W. Ultracentrifugal Characterization of the Mitochondrial Ribosome and Subribosomal Particles of Bovine Liver: Molecular Size and Composition. Biochemistry. 1974-12-17, 13 (26): 54005403 3陈初光. 核糖体肽链输出通道对基因表达的调控作用. 国外医学分子生物学分册. 2002, (6) 4Bruce Alberts, et al. The Molecular Biology of the Cell, fourth edition.