Nature-研究首次实现基因表达控制量化
Nature：研究首次实现基因表达控制量化
2011/05/23 11:54:09
基因表达是一个多步骤过程，涉及转录、翻译以及mRNA和蛋白的周转，尽管数十年来科学家们投入了大量的精力在这一研究领域，然而直到现在人们对这些事件的综合效应怎样决定基因表达却仍然知之甚少。
来自德国Max Delbruck分子医学中心和柏林医学系统生物学研究所的研究人员第一次对基因表达控制进行了定量分析，研究结果表明基因表达控制主要发生在细胞质而非细胞核中。相关研究论文发表在5月19日的《自然》(Nature)杂志上。
“蛋白质是生命最重要的组成部分。它们事实上控制着心脏跳动、氧输送甚至思维等一切生命过程，”德国Max Delbruck分子医学中心生物学家Matthias Selbach解释说：“在此过程中，细胞将储存在DNA顺序中的遗传物质经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。然而一直以来科学家们都心存疑问，到底转录和翻译哪一个在调控细胞蛋白质水平上起主导作用呢？”
在这篇文章中研究人员通过同时测量蛋白质和mRNA丰度及周转量的方式量化了哺乳动物细胞中的基因表达。他们利用定量质谱测定法和最新的测序技术，对超过5000个基因的蛋白质和mRNAs进行了“并行代谢脉冲标记”。随后通过数学建模的方法，对mRNA和蛋白的合成速度进行预测从而得出结论，证实蛋白在细胞中的丰度主要是在核糖体mRNAs的翻译层面上被控制的。“核糖体最终确定了蛋白质的丰度。一些mRNAs在1小时的时间内仅能翻译生成一个蛋白质，而一些其他的mRNAs的翻译速率则有可能达到前者的200倍。”Matthias Selbach说。
此外，研究人员还证实细胞以一种非常有效的方式利用它们的资源。研究人员发现大部分由高表达的管家基因编码生成mRNAs和蛋白质都非常的稳定，由于蛋白质合成是一个消耗大量能源的过程，这些mRNAs和蛋白质的稳定性使得细胞节省了大量的宝贵能量。而与此相对应是在快速信号转导中起重要作用的蛋白质则通常不太稳定，由此确保了细胞能够快速适应环境中的变化。
在接下来的计划中，研究人员期望能找到他们的研究结果与疾病的相关性。“到目前为止，这还只是纯粹的基础研究，”Matthias Selbach强调说：“众所周知在许多疾病中例如癌症都存在蛋白质的合成异常。然而在这一过程中具体哪一个环节出现了失控，对此我们仍然知之甚少。直到现在研究者们还主要将研究焦点集中在细胞核中寻找答案。新研究结果表明细胞质中的核糖体对于蛋白质合成具有极其重要的意义。或许我们能够从此处找到解析疾病的关键钥匙。”
推荐原文出处：
Nature DOI: 10.1038/nature10098
Global quantification of mammalian gene expression control
Bjorn Schwanhausser; Dorothea Busse; Na Li; Gunnar Dittmar; Johannes Schuchhardt; Jana Wolf; Wei Chen; Matthias Selbach
Gene expression is a multistep process that involves the transcription, translation and turnover of messenger RNAs and proteins. Although it is one of the most fundamental processes of life, the entire cascade has never been quantified on a genome-wide scale. Here we simultaneously measured absolute mRNA and protein abundance and turnover by parallel metabolic pulse labelling for more than 5,000 genes in mammalian cells. Whereas mRNA and protein levels correlated better than previously thought, corresponding half-lives showed no correlation. Using a quantitative model we have obtained the first genome-scale prediction of synthesis rates of mRNAs and proteins. We find that the cellular abundance of proteins is predominantly controlled at the level of translation. Genes with similar combinations of mRNA and protein stability shared functional properties, indicating that half-lives evolved under energetic and dynamic constraints. Quantitative information about all stages of gene expression provides a rich resource and helps to provide a greater understanding of the underlying design principles.