一個細胞的內(nèi)部運作涉及到不計其數(shù)的單個分子，它們參與到重復(fù)循環(huán)的相互作用之中來維持生命。蛋白質(zhì)形成就是這種生命活動的基礎(chǔ)。

賓夕法尼亞大學(xué)的Joshua B. Plotkin教授說，由于蛋白質(zhì)是細胞功能的基礎(chǔ)構(gòu)件，科學(xué)家們一直以來對于細胞生成蛋白質(zhì)的機制都極其地感興趣。

“蛋白質(zhì)翻譯對于所有的活細胞均極為重要。細胞借助于這一機制將遺傳信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛘嬲秊樗鍪碌膶嶓w，使得細胞能夠感知環(huán)境和生長，”Plotkin說。

在一項最新的研究中，Plotkin和博士后研究人員、文理學(xué)院的Premal Shah利用一種計算機模型，闡明了細胞中蛋白質(zhì)翻譯的限速機制。他們的研究發(fā)表發(fā)表在近期的《細胞》（Cell）雜志上。

與英國的科學(xué)家們展開合作，由賓夕法尼亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的這一科研小組在酵母細胞中構(gòu)建了一個蛋白質(zhì)翻譯的理論模型。基于一張核糖體與信使RNAs（mRNAs）的實驗快照推導(dǎo)出的參數(shù)，該模型模擬出了蛋白質(zhì)的翻譯過程。

mRNAs是翻譯開始的一個重要組成部分。隨著核糖體沿著mRNA鏈移動，解碼它的遺傳信息，其形成了一條機械裝配線，以mRNA指定的序列翻譯出氨基酸鏈。

核糖體從細胞的其他地方獲得氨基酸。稱作為tRNAs的轉(zhuǎn)移RNAs，將氨基酸運送到正在進行蛋白質(zhì)翻譯的核糖體處。tRNA的作用是將mRNA密碼子與對應(yīng)的氨基酸聯(lián)系一起。氨基酸的排列順序決定了構(gòu)建出的蛋白質(zhì)類型。在這一過程結(jié)束之時，蛋白質(zhì)會從核糖體釋放出來，在細胞內(nèi)開始發(fā)揮其作用。

我們可以將核糖體、轉(zhuǎn)移RNA和信使RNA的行為，比作是一組人試圖利用電梯來去到一個更高的樓層。

關(guān)鍵的問題是，是什么延遲了每個人到達更高樓層的時間——是因為人們需要時間來尋找電梯還是電梯自身的速度？如果電梯移動很慢，我們期望能夠找到等候在底層的大群的人，以及更多在電梯上的人。而如果電梯移動迅速，那么延遲就是因為人們首先花費了時間來尋找電梯所致。

那么同樣的，在細胞中，是什么減慢了核糖體解碼mRNAs信息的速度呢？

是由于核糖體結(jié)合mRNA起始序列的頻率（這一過程在生物學(xué)中稱作翻譯起始），還是隨后核糖體沿著mRNA鏈移動（這一過程稱作為翻譯延伸）的速度導(dǎo)致了延遲呢？

結(jié)果表明，答案取決于細胞的環(huán)境，以及它的壓力水平。

在正常情況下，核糖體供不應(yīng)求，因此主要的瓶頸在于起始步驟。科學(xué)家們推斷，長mRNAs的起始速度甚至更慢。

這一發(fā)現(xiàn)有助于解決一個激烈的爭論：是起始還是延伸限制了細胞中蛋白質(zhì)生成的速度。

Plotkin說：“我們證實，對于健康細胞中的正常基因，游離核糖體的起始速度限制了翻譯的步伐。這在進化上確實很有意義。相比于tRNA，生成核糖體所需要付出的代價更大。因此對于細胞而言最好是有所節(jié)制，核糖體略少一些，tRNAs略多一點。”

對于健康細胞而言是這種情況。而當(dāng)細胞受到壓力時，情況會發(fā)生改變。這時蛋白質(zhì)的翻譯速度受到延伸的限制。這時因為壓力細胞耗盡了氨基酸，因此只有較少的tRNAs可供延伸利用。核糖體必須用更長的時間等待tRNA將對應(yīng)的氨基酸帶到mRNA的每個區(qū)段。

研究人員發(fā)現(xiàn)，壓力細胞可以讓蛋白質(zhì)工廠處于待命狀態(tài)。

“通過在壓力下減慢起始速度，細胞降低了它的預(yù)期需要，實際上得到了相對較多的蛋白質(zhì)產(chǎn)量。你可以將之比作，如果沒有足夠的汽油，就嘗試不要按每小時60英里的速度開車，那么你就可以去到你要去的地方，”Plotkin說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，是起始或是延伸限制蛋白質(zhì)翻譯的速度，取決于細胞的環(huán)境。

研究人員表示，了解了這一過程的運作機制，將有助于各種生物技術(shù)應(yīng)用。例如，就諸如胰島素等有益蛋白質(zhì)而言，科學(xué)家們可以找到一些方法來優(yōu)化細胞的蛋白質(zhì)生成。