Structural basis for co-translational assembly of homo-oligomeric proteins in cis and in trans

在每一个活细胞内部，被称为核糖体的微小机器充当着生命的工厂，通过读取遗传指令来构建蛋白质。这些蛋白质是细胞的劳动力，但它们很少单独工作。为了发挥功能，它们通常必须与其他蛋白质结合在一起，形成复杂的结构，就像单个齿轮锁定进时钟机械装置一样。几十年来，科学家们一直认为这些连接通常发生在蛋白质完全构建完成并释放到细胞中之后。然而，最近的研究表明，许多蛋白质在还在被构建的过程中就开始与它们的伙伴组装，这一过程被称为共翻译组装（co-translational assembly）。这种早期的连接有助于防止蛋白质在拥挤的细胞环境中发生缠结或降解。一个主要的问题一直悬而未决：当两个相同的蛋白质需要合力工作时，它们是在同一条遗传物质链上被构建时彼此寻找，还是向着在附近完全不同的遗传链上被构建的伙伴伸出援手？

海德堡大学分子生物学中心的科研团队现在回答了关于一种特定的细菌蛋白质 PheA 的这个问题。通过使用先进的成像技术和遗传工具，他们发现这种蛋白质在很大程度上忽略了“组装发生在同一条遗传链上”的规则。相反，他们发现 PheA 分子经常通过向正在不同相邻遗传链上构建的伙伴延伸来进行组装。这一发现揭示了细菌细胞中一种令人惊讶的组织水平，即不同遗传指令上的核糖体会物理性地连接起来，形成庞大且相互关联的网络，以确保这些蛋白质被正确且高效地构建。

研究人员将重点放在了 PheA 上，这是一种存在于大肠杆菌中的双部分酶，有助于细胞制造一种重要的营养物质。这种酶由两个完全相同的部分组成，这两个部分必须互相缠绕才能发挥作用。科学家们知道，如果这两个部分在蛋白质从核糖体中出来的特定阶段之后没有立即结合在一起，蛋白质很可能会发生折叠错误并变得毫无用处。为了理解这种结合是如何发生的，团队首先观察了细胞中核糖体的行为。他们使用了一种方法，将重型的核糖体集群与轻型核的是分开，并发现当 PheA 大量制造时，核糖体会形成巨大的、沉重的团块，这些团块会沉入测试管的底部。当研究人员用一种可以消化蛋白质链的酶处理样本时，这些团块消失了，这证明核糖体是由正在生长的蛋白质链本身维系的，而不仅仅是随机漂浮在一起。

为了精确观察这些链是如何连接的，团队开发了一个巧妙的实验，使用了两种略有不同的 PheA 基因版本。他们将这两个基因放置在同一个细胞内的不同遗传链上。其中一个版本的蛋白质被标记了一个特定的“手柄”，而另一个版本则被标记了另一个不同的“手柄”。当他们利用第一个手柄将蛋白质提取出来时，他们发现第二个版本的蛋白质也附着在上面。这为这两个酶的部分即使是在来自完全不同的遗传指令进行构建时也能结合在一起提供了直接证据。这意味着组装是发生在“反式”（in trans）过程中，即跨越不同的遗传链，而不是在“顺式”（in cis）过程中，即在同一条遗传链上。

随后，团队使用了一种名为冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy）的强大成像技术来可视化核糖体本身。他们将核糖体冻结在薄薄的一层冰中，并拍摄了数千张高分辨率图像以观察它们的排列方式。他们测量了核糖体出口通道（即新蛋白质链涌出的微小孔洞）之间的距离。他们发现，当 PheA 被构建时，核糖体会调整位置，使这些出口通道非常接近，距离约为 120 埃（angstroms）。这种邻近性使得新兴的蛋白质链能够几乎立即接触并锁定在一起。令人惊讶的是，图像显示这些核糖体并没有固定的取向；只要它们的出口通道保持靠近，它们就可以自由旋转和移动。这种灵活性表明，核糖体并非处于僵硬的形成状态，而是动态地寻找彼此以促进连接。

当研究人员观察完整遗传链上的核糖体时，他们发现出口通道的紧密邻近现象最常发生在不同链上的核糖体之间。虽然核糖体在同一条链上进行连接也是可能的，但这很罕见，且通常需要遗传链自身发生回环，以便远离的核糖体能够互相触及。同一条链上的直接相邻核糖体实际上距离太远，无法连接它们正在生成的蛋白质。这一发现挑战了主流观点，即相同的蛋白质通常在同一条遗传链上组装。相反，对于 PheA 而言，细胞依赖于不同遗传链汇聚而成的网络。

研究人员解释说，这种倾向于跨越不同链进行连接的特性，很可能是由于 PheA 必须组装的速度决定的。需要与伙伴结合的蛋白质部分非常短，且出现得很快。如果核糖体卡在同一条链上，遗传物质的几何结构会迫使出口通道之间的距离过远，导致蛋白质无法及时连接。通过允许不同链上的核糖体聚集在一起，细胞创造了一个灵活的环境，使蛋白质能够瞬间找到彼此。这种机制确保了酶被正确构建，而不会浪费能量或产生缺陷部件。

这项研究清晰地展示了细胞如何组织复杂机器的构建。它表明，细胞并不依赖于单一、僵硬的方法来组装蛋白质。相反，它利用核糖体的物理邻近性——无论它们位于哪条遗传链上——来确保蛋白质在准确的时刻找到它们的伙伴。对于 PheA 而言，这意味着细胞构建了一个动态的核糖体网络，将不同的遗传指令连接在一起，从而解决结构性问题。这一发现表明，细胞内部拥挤的空间并非仅仅是零件的混乱混合物，而是一个高度有序的空间，其机器的物理排列是根据正在制造的蛋白质的具体需求而经过调优的。