Cell：核糖体翻译的新视角，如何利用协同作用提高翻译效率

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Cell：核糖体翻译的新视角，如何利用协同作用提高翻译效率, `4 F2 H, }$ f- B; A3 T6 O
来源：生物探索 2025-02-05 09:00
& X1 N$ x; I, w+ G- d该研究通过创新性地设计了“stopless-ORF circular RNA”（socRNA）模型，使得研究人员能够以极高的精度观察和分析核糖体在翻译过程中的动态变化。
7 Z4 ?& j. C, d, D7 M) f0 e: P在我们体内，数以亿计的细胞每天都在进行着极其复杂的生命活动，其中翻译过程扮演着至关重要的角色。翻译是基因表达的最后一步，它通过核糖体（ribosome）将mRNA上的遗传信息转化为蛋白质，驱动细胞的功能。然而，尽管翻译过程已经被广泛研究，研究人员却一直未能完全解开一个关键谜团：多个核糖体如何协同工作来高效地完成这一任务。9 d" w) U, e6 l% w
传统的研究认为，翻译过程中的核糖体是独立运作的，每个核糖体都会沿着mRNA链逐步合成蛋白质。通过成像技术，研究人员发现，核糖体在翻译过程中并非孤立存在，而是往往以一种协作的方式共同完成翻译任务。这一现象被称为“核糖体协同作用”（ribosome cooperativity）。当多个核糖体翻译同一段mRNA时，它们之间并非简单地互不干扰，而是通过瞬时碰撞和相互影响来提高翻译效率（1月31日Cell “Long-term imaging of individual ribosomes reveals ribosome cooperativity in mRNA translation”）。
( y; p5 @  z% J, ~1 n/ s6 m& e这些核糖体的碰撞并不会引发细胞的质量控制机制，相反，它们能有效地减少翻译中的暂停时间，尤其是在遇到复杂或“难翻译”的RNA序列时。这样一来，核糖体的协同作用不仅加速了蛋白质的合成，也提升了翻译的稳定性和效率。更重要的是，核糖体协同作用可能为我们理解细胞如何处理翻译中的障碍提供了新的视角，这对疾病研究和新型药物的开发具有重要意义。0 y, ?& v' V/ V5 _2 [: a; D" v8 C
该研究通过创新性地设计了“stopless-ORF circular RNA”（socRNA）模型，使得研究人员能够以极高的精度观察和分析核糖体在翻译过程中的动态变化。通过这一模型，研究团队揭示了核糖体在翻译中的协同作用机制，并深入探讨了这种机制如何帮助细胞克服翻译过程中的难题，为我们带来了翻译研究领域的一次重要突破。+ d6 v7 x( |- F4 q" a3 q' C- o$ i

% r7 W! K# m5 t翻译的核心：核糖体如何“读取”遗传密码$ n% \, `4 X. v" ?4 t
在所有生命过程中，基因表达的实现依赖于翻译这一关键环节。每个细胞中的核糖体，作为蛋白质合成的工厂，负责“读取”携带遗传信息的mRNA，并将其转化为蛋白质。这个过程就像是一个高效的工厂生产线，mRNA是生产的蓝图，而核糖体则充当着工人角色，它们按部就班地完成每一个步骤，合成蛋白质。然而，尽管这一过程看似简单且完美运行，研究人员对它的了解却远未完全。
4 t6 Z) k. L& S( K: a5 R% ]. `# L- |核糖体是细胞中的“翻译机器”，它们在细胞质内通过读取mRNA上的编码信息合成蛋白质。每当细胞需要合成新的蛋白质时，核糖体就会绑定到mRNA上，将其“读取”并根据这些指令合成相应的氨基酸链。每一个氨基酸的加入，都需要核糖体将mRNA上的一个密码子（codon）解码成相应的氨基酸，这一过程是细胞进行各种生命活动的基础。) i  _  I2 `/ o6 @/ Y  i3 c. d
传统的研究通常认为，翻译过程是由多个单独工作的核糖体完成的，每个核糖体在mRNA上独立地进行翻译，翻译的速度和效率受每个核糖体独立工作的影响。然而，随着对这一过程理解的深入，越来越多的证据表明，这一传统观念并不完全准确，翻译过程远比我们所知道的复杂。
9 [- E2 y) b  q+ U9 y传统对翻译过程的认知：单个核糖体的独立作用
1 ]7 S( o, I2 `$ d最早的研究表明，mRNA的翻译是由多个核糖体“串行”进行的。每一个核糖体在mRNA链上按部就班地“读取”每一个密码子，合成一个相应的氨基酸。这个过程是线性且独立的，研究人员曾认为每个核糖体像是独立的工人，按自己的节奏生产蛋白质，而它们之间并没有互动。这一观点曾经占据主流，但随着技术的发展，新的发现开始挑战这一理论。
  h0 p) d0 N: M* `1 `2 a/ D8 i为什么翻译过程至今仍有许多未知领域
/ M8 F+ s$ n& s1 B9 c0 v7 [+ [尽管我们对翻译过程有了基本的了解，仍然存在许多不解之处。一个最为关键的问题是：多个核糖体在同一条mRNA链上翻译时，它们的活动是否会相互影响？不同核糖体在同一mRNA上工作的协调性、翻译过程中的暂停现象，以及核糖体如何避免停滞和保证高效翻译，依然是科学家们关注的焦点。% n4 E6 l) D! X
核糖体协同作用：翻译的新发现
( w  F/ ?2 w; d, F& ^/ _" E该研究发现，翻译过程中的核糖体并非孤立运作，而是通过一种协同作用共同提高翻译效率。这种协同作用表现在多个核糖体在同一mRNA上翻译时，它们之间会发生瞬时碰撞，并通过这一碰撞形成一种“合作关系”。这种合作不仅减少了翻译中的停顿时间，还能加速蛋白质合成的进程。
; ]- @. _  Q* z4 t/ ?在该研究中，研究人员利用socRNA技术，成功追踪到翻译过程中核糖体之间的互动，揭示了核糖体如何通过碰撞协同工作。
' o1 R$ ?8 C& J" [8 p! v传统与新理论的对比：核糖体如何通过碰撞协同工作
) u. b) e5 E: y- ^2 g基于新一代成像技术，研究人员观察到，翻译过程中多个核糖体不仅同时沿着同一mRNA链工作，还可能在某些时刻发生碰撞。令人惊讶的是，这些碰撞并不会导致翻译停滞，反而会推动翻译进程。通过对核糖体在翻译过程中的实时监测，研究团队发现，当核糖体发生碰撞时，它们能够在短暂的互动后恢复协同翻译，显著减少翻译中的暂停时间。
1 Z- G0 R8 O1 p在含有特定暂停序列的mRNA上，研究人员通过观察发现，两个核糖体在翻译时的碰撞反而促进了翻译的顺利进行，而不是造成翻译的停滞。这一发现挑战了传统的看法，即认为核糖体碰撞会引发质量控制机制并导致翻译失败。相反，核糖体之间的合作通过减少停顿、提高翻译速度，最终促进了蛋白质的合成。: E% }) r9 i; _  C" d; s* E
核糖体协同作用的关键在于它们之间的互动如何减少翻译暂停，进而提升翻译效率。当多个核糖体同时在mRNA上工作时，较慢的核糖体可能会遇到翻译中的暂停位点，这时，紧随其后的核糖体可以通过碰撞减小暂停时间，使得整个翻译过程更加顺利。
) m0 A) J9 i  v: a9 m进一步的模拟实验也验证了这一理论。研究团队通过模拟翻译过程中核糖体的相互作用，发现核糖体在同一mRNA上共同工作时，比单独翻译时能够显著提高翻译效率。例如，在含有Xbp1暂停序列的mRNA上，两个核糖体在翻译时发生碰撞并通过“合作”顺利地跨越了暂停点，这一过程大大减少了翻译中断的次数，确保了蛋白质的快速合成。
0 ~( i1 g2 E, L: Y如何通过socRNA观测核糖体
6 y2 l! m) G: e( W: {6 M在揭示核糖体协同作用的过程中，研究人员采用了一种革命性的技术——socRNA。传统上，研究人员依赖于在细胞内表达线性mRNA来追踪核糖体的翻译动态，但这种方法通常无法精确捕捉到单个核糖体的活动。socRNA技术的出现突破了这一限制，能够精确地追踪核糖体在翻译过程中的每一个细节，极大地提高了观测的准确性和分辨率。
& H  f9 G9 D) Q9 C" Y9 A& lsocRNA的核心创新在于其独特的结构——环状RNA。与传统的线性RNA不同，socRNA没有在其翻译过程中出现的终止密码子（stop codon），并且通过自我连接的方式形成一个闭环结构。这一设计使得核糖体在翻译过程中能够持续地“绕圈”工作，而不会因终止密码子的存在而终止翻译，从而为研究人员提供了更长时间的观察窗口。5 N. s8 L0 i8 S+ r, q' I
socRNA的设计和工作原理8 d& x  {! U; w- k  f
socRNA的设计利用了特定的自剪切酶和接头技术来生成环状RNA。首先，研究人员在RNA序列的两端添加了自切割序列，这些序列通过核糖体作用的翻译过程连接起来，形成一个闭环。这种闭环的结构确保了没有终止密码子，核糖体可以持续在mRNA上进行翻译，允许研究者观察单个核糖体在一个RNA分子上的翻译过程。
0 F: Q  i2 y( n% u$ W通过在socRNA中加入荧光标记，例如使用SunTag系统，研究人员可以实时观察到正在翻译的核糖体。SunTag系统通过与专门的抗体（如STAb-GFP）结合，标记正在合成的蛋白质，形成可视化的荧光信号。随着翻译的进行，信号的强度会逐渐增加，研究人员可以通过显微镜实时监控这一过程，从而准确地分析翻译的速度和效率。% E3 g1 z2 `: W5 G% @$ b
此外，为了确保socRNA能够在细胞中稳定表达并定位，研究人员使用了ALFA标签（ALFA-tag）与膜锚定技术，将socRNA分子定位到细胞膜附近。通过这种方式，研究者可以将socRNA的翻译过程与细胞内其他生物过程分开，消除潜在的干扰，并更精确地捕捉翻译的动态变化。2 ?1 `0 V: h- k
如何通过成像技术观察单个核糖体的翻译动态
1 k8 N& P9 b' l, B% |& S# R为了观察单个核糖体在socRNA上的翻译动态，研究团队采用了高分辨率的旋转盘共聚焦显微镜（spinning disk confocal microscopy）。这种显微镜设备能够以极高的速度和精度拍摄实时动态图像，使得研究人员能够捕捉到每个核糖体的活动，尤其是在多核糖体同时翻译同一mRNA时。, ]8 N, W" P2 v* E) L% f
通过这一技术，研究人员能够清晰地看到核糖体在mRNA上的“移动”过程，跟踪它们在翻译过程中是如何相互作用的。特别是在多个核糖体在同一mRNA上同时翻译时，成像技术能够精确到个别核糖体的碰撞事件，揭示了核糖体协同作用的真实场景。当核糖体相遇时，成像系统能够立即记录下这种碰撞，并且观察到核糖体如何迅速恢复翻译，避免了停滞和翻译失败。
0 O) ^+ H- s( M6 ~# Y通过观察单个核糖体的翻译动态，研究团队不仅揭示了核糖体协同作用的存在，还测量了翻译的精确速度和翻译暂停的时长。这一技术的应用使得以往无法观察到的细节得以呈现，提供了更深入的翻译机制的理解。实验数据显示，当核糖体在翻译过程中遇到暂停序列时，后续核糖体的快速碰撞帮助减少了暂停时间，从而加速了整体翻译进程。3 f$ t+ J8 X1 W+ `  F
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通过socRNA技术在活细胞中对单个翻译核糖体进行长期观察（Credit: Cell）* s: n5 O2 W+ Y7 {, `1 z3 g. P
(A) socRNA的形成示意图
5 W+ I5 @6 r! TsocRNA是一种通过自切割技术形成的环状RNA，其特殊的结构没有终止密码子。通过这种设计，socRNA可以持续进行翻译，使得研究人员可以在活细胞中长期观察核糖体的翻译动态。1 G# t* i" W$ m( Q4 L% @! L9 {
(B) socRNA翻译成像系统的示意图
, f7 a- d. t: {! W使用荧光标记的socRNA与先进的成像系统结合，能够实时观察单个核糖体沿着socRNA翻译的过程。这些系统通过追踪翻译中核糖体的绿色荧光信号，实时记录翻译的时序数据，并进行定量分析。
# Y9 x9 \1 H5 I1 I8 t  V(C) ALFA标签系统和细胞膜定位的代表性图像
/ U# \2 w9 {! B3 K* I7 I: G+ v0 F通过ALFA标签系统将socRNA固定在细胞膜上，并使用荧光显微镜观察。翻译中的socRNA通过绿色荧光显示，DNA则通过蓝色标记，便于研究人员区分翻译活动和基因组DNA的位置。8 y8 j$ e" k/ Y* o
(D) 单一翻译socRNA的荧光强度随时间的变化
# H% i6 i6 t7 x) q在时间追踪实验中，随着核糖体对socRNA的翻译，socRNA的荧光信号逐渐增强。这表明核糖体正在沿着RNA链移动并合成蛋白质，反映出翻译过程的动态。
2 I5 }% g, p! |* ?+ R; q' }# H% A(E–G) 药物处理对socRNA翻译强度的影响
5 R4 o1 i$ @; L5 j添加不同的药物后，研究人员记录了翻译过程中socRNA荧光强度的变化。通过对比药物前后的翻译强度，实验显示药物对翻译速率和翻译效率的影响。+ `& r1 o! i. b' o
(H) socRNA与翻译信号的共定位
$ N1 X) y. K3 \# p5 n$ x使用单分子荧光原位杂交（smFISH）技术标记socRNA，同时通过STAb-GFP系统标记翻译信号，验证了翻译信号与socRNA位置的共定位。结果表明，翻译信号确实来源于socRNA，进一步证明了翻译信号与RNA链的关联性。
! A4 Y8 A7 ?" r2 D/ g' S% f; o(I) socRNA示意图及每个socRNA的GFP荧光焦点数量
6 D4 j- M1 ?8 v" j1 M通过统计每个socRNA在细胞中的荧光焦点数量，研究人员定量分析了翻译的核糖体数量。数据表明，不同socRNA的翻译效率有所不同，这些数据为研究翻译的规律和核糖体的分布提供了有力支持。+ Q4 e; ?& ^* F! y# \, a" ?. v
(J和K) puromycin处理对socRNA的影响4 k8 o- V& H/ v
puromycin能够干扰翻译过程，并释放正在翻译的核糖体。研究通过时序图像展示了puromycin处理后，核糖体如何从socRNA上被释放，且socRNA的翻译信号迅速减弱。
$ s8 Z& ]" p8 [( y(L) socRNA翻译由两个核糖体进行的情况- K: L- A- u, w
在一个socRNA上，两个核糖体同时翻译，荧光信号在翻译过程中分裂为两个子焦点。实验表明，两个核糖体的翻译活动完全同步，且翻译过程中的信号强度保持一致。这为理解核糖体协同作用提供了重要证据。8 j. l$ M/ w( a* C. Y/ O* j+ O  K
(M) puromycin添加后翻译信号的强度变化
0 S2 l  Z! h: O% B添加puromycin后，socRNA上的核糖体数量与翻译信号的变化呈正相关。随着核糖体的释放，翻译信号增加。这一结果揭示了puromycin对核糖体释放过程的干扰作用，并提供了关于翻译动态的深入了解。
8 n: h5 Y# M6 I& {+ E# ?(N) 每个socRNA上翻译核糖体数量的分布
" U+ u5 N  R  t; J) e5 M' B研究分析了不同socRNA上翻译的核糖体数量，揭示了翻译过程中核糖体的负载情况。数据表明，核糖体的数量存在较大的变异性，这可能与mRNA的序列特性或细胞的翻译能力相关。
, w8 S! j7 O8 O5 |1 f# a% W(O) 翻译中断前的socRNA翻译强度时间轨迹; k8 ^) R% w3 O% Z7 `3 A
通过追踪一个socRNA的翻译过程，研究显示在puromycin添加之前，某些socRNA经历了翻译中断的现象。这一现象说明了翻译过程中核糖体的过程性（processivity）以及可能的翻译错误。( X8 V- s8 t$ D4 s- L
(P) 单核糖体翻译过程中断的Kaplan-Meyer生存曲线" |  W0 B/ w( {, w  i* O+ T
使用Kaplan-Meier生存曲线，研究人员分析了单个核糖体在翻译socRNA时能持续翻译的密码子数目，直到翻译中断。实验表明，核糖体在翻译过程中可能会遇到中断，从而影响翻译的过程性，最终导致翻译的失败。) S0 H5 A7 C5 C
核糖体碰撞与翻译暂停：突破性的发现
# Z0 z3 F6 f# |5 E' c' o5 J1 U) p9 H核糖体碰撞发生的原因有多个。首先，翻译过程中，核糖体的移动速度并非完全一致，某些核糖体可能会遇到“暂停点”或复杂的RNA结构，导致它们的移动速度减慢。与此同时，后续的核糖体可能以较高的速度继续向前移动，直到它们与前面的核糖体发生碰撞。研究还发现，这种碰撞发生在核糖体逐渐通过困难的mRNA序列时，尤其是在RNA结构复杂、翻译困难的区域。/ `" _+ g$ b/ v. |6 X+ l0 m
当多个核糖体同时翻译同一条mRNA时，它们之间不仅会发生碰撞，而且这种碰撞是非常频繁的。实验表明，这些碰撞通常发生在不到3分钟的时间内，这是由于核糖体的翻译速率差异以及mRNA序列的复杂性所致。/ Q- r: H% ]) m  ]
尽管核糖体碰撞在过去曾被视为负面现象，该研究却表明，核糖体碰撞实际上可以在许多情况下有益于翻译过程。通过对翻译过程的长时间成像，研究人员发现，核糖体之间的碰撞不会造成翻译的中断，反而能有效减少翻译中的暂停时间。4 o4 U8 l. Y; d
实验数据显示，在特定的暂停序列上，两个核糖体发生碰撞时，暂停时间减少了50%以上。在含有Xbp1暂停序列的mRNA上，核糖体碰撞能够有效缩短核糖体在暂停点的滞留时间，从而加快了整体翻译的速度。$ x- h: \8 O& s" t) `; I
RNA分子在翻译过程中可能包含多个暂停序列或复杂的二级结构，这些因素通常会导致核糖体的翻译停滞，严重影响蛋白质的合成效率。这种停滞会导致细胞内的蛋白质合成变得缓慢，甚至可能出现错误的蛋白质折叠或缺失。然而，核糖体碰撞为解决这一问题提供了可能的机制。  v8 I$ k( q) R5 u2 _5 z; o% b+ O
研究人员通过模拟和实验观察到，当核糖体翻译含有复杂二级结构的mRNA时，后续核糖体的碰撞可以有效避免停滞。当核糖体遇到RNA假结（RNA pseudoknot）等难翻译的结构时，后续核糖体通过碰撞帮助解开结构，从而保证翻译的顺利进行。这一现象在具有多个暂停序列的mRNA中尤为重要，碰撞不仅减少了单个核糖体的停滞，还确保了整个翻译过程中蛋白质的连续合成。
( `; M- c# N8 {+ m2 t2 `8 S进一步的实验模拟也证明了这一点。在含有AAA重复序列（这类序列常见于难翻译的RNA中）的mRNA上，多个核糖体的协同作用能够减少核糖体的暂停时间，并显著提高翻译效率。这些实验结果表明，核糖体碰撞不仅避免了翻译过程中的停滞，还确保了蛋白质合成的速度和准确性。
  Z* [- X) n0 t& L' ]核糖体协同作用与细胞内质量控制机制的关系6 P* E" q7 p% R8 X4 H( r: ?, K8 w  S
细胞内的质量控制机制对于确保翻译过程的准确性和细胞健康至关重要。当翻译中出现错误或核糖体停滞时，细胞的质量控制系统会介入，识别并清除错误的蛋白质链。传统上，核糖体在翻译过程中若发生碰撞或停滞，通常会触发质量控制机制，导致核糖体被回收并重新启动翻译。4 V0 _2 Y0 a. J7 N7 k5 U, E' {5 d# i
然而，核糖体协同作用的发现挑战了这一传统观念。研究表明，核糖体之间的瞬时碰撞不仅不会引发质量控制机制的介入，反而能够帮助细胞避免不必要的核糖体回收。核糖体在协同工作时发生的碰撞短暂而高效，质量控制机制往往无法检测到这些短时的碰撞，避免了核糖体被错误回收。这种协同作用的机制使得核糖体能够高效并持续地进行翻译，确保蛋白质合成过程的顺利进行。
/ H% ?* ^6 l! n( H* U$ y5 \此外，核糖体协同作用还降低了因核糖体碰撞而导致的潜在错误率，从而减少了细胞质量控制机制的负担。研究发现，在复杂RNA序列的翻译中，核糖体的协同作用使得暂停时间更短，翻译过程更流畅，减少了质量控制机制过度介入的需要。这不仅提高了翻译效率，也有助于降低细胞因质量控制过度干预而导致的能量消耗。: l4 v8 r; _. ^% T( S/ ?
核糖体的合作与细胞命运: D1 A1 c2 b: @
核糖体协同作用是翻译过程中的一项关键机制，它直接影响着细胞的健康和功能。细胞内的蛋白质合成不仅关乎细胞日常代谢的需求，还关系到细胞对环境变化的适应能力。研究表明，核糖体的协作能够显著提升翻译效率，减少翻译中的暂停和停滞，确保细胞能够快速合成所需的蛋白质，从而维持其正常的生理功能。' ~2 m) G( F* R4 [
在细胞遇到压力时，尤其是在面对复杂RNA序列和有害外界因素（如病毒或病理性RNA损伤）时，核糖体协同作用的作用尤为重要。通过减少停滞和翻译错误，核糖体的协作帮助细胞避免蛋白质合成过程中可能出现的错误折叠、缺失或功能失常等问题。这一机制对于保持细胞的稳态，特别是在神经、免疫及细胞分裂等关键过程中至关重要。核糖体协同作用能够帮助细胞突破翻译暂停点，避免因翻译失败而导致的细胞死亡或功能丧失。
; }  [+ ~$ O$ @9 A. Z1 i2 W因此，核糖体协同作用不仅是蛋白质合成中的一个重要组成部分，更是细胞健康的守护者。它通过优化翻译过程，保证了细胞的正常生长与增殖，使得细胞能够在复杂的生物环境中生存和应对各种压力。
0 L2 U" v9 R7 L. P" @4 Y% O翻译研究的新前景：协同作用带来的新机遇  G7 ?  f- v9 {  b
核糖体协同作用的发现为翻译研究打开了全新的视野。这一发现不仅颠覆了传统的翻译理论，更为我们理解细胞如何高效合成蛋白质提供了新的框架。在这一全新理论的基础上，翻译研究将进入一个新的阶段，揭示翻译中更多尚未理解的机制和调控方式。+ E  z' V9 W# a3 C. F6 v
随着对核糖体协同作用研究的深入，未来有望开发出更多针对翻译过程的治疗方法。例如，在遗传性疾病、神经退行性疾病以及一些癌症中，翻译障碍常常是病理的根源。通过调节核糖体之间的协同作用，研究人员可以设计出新的药物或疗法，帮助恢复或增强核糖体的合作功能，从而改善蛋白质合成的效率和准确性。这为细胞生物学、疾病治疗和个性化医疗开辟了前所未有的研究机会。
7 w  [7 S9 d8 V$ w8 H此外，核糖体协同作用与细胞质量控制机制的密切关系也为研究细胞内蛋白质降解和修复提供了新的线索。在未来的研究中，理解核糖体如何与细胞的质量控制系统相互作用，将有助于开发出更精准的药物，改善由翻译暂停引起的疾病。通过优化这一协同作用，细胞将能够更高效地修复或清除错误的蛋白质，保持其正常功能。, s% A) F4 R/ G- M8 c7 y
总之，核糖体协同作用的研究不仅为我们提供了更为深入的翻译机制理解，也为生物医学领域带来了新的研究机遇。随着研究的进一步推进，我们将能够更好地理解细胞如何通过核糖体的合作来维持其健康与生长，从而为未来的治疗方案提供更加精确的靶点和策略。
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