摘要：科學家們采用人工智能、冷凍電鏡和遺傳學技術(shù)，以前所未有的細節(jié)揭示了細胞如何協(xié)調(diào)和保護核糖體小亞基的生成。
核糖體是細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)工廠，它讀取遺傳密碼并組裝生物體生存所需的蛋白質(zhì)。然而，對于核糖體本身是如何形成的，我們卻知之甚少。
如今，科學家們首次動態(tài)捕捉到這一過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們采用人工智能、冷凍電鏡和遺傳學技術(shù)，以前所未有的細節(jié)揭示了細胞如何協(xié)調(diào)和保護核糖體小亞基的生成。這項成果于10月29日發(fā)表在《Nature》雜志上。
通訊作者、洛克菲勒大學的Sebastian Klinge教授表示：“我們終于獲得了核糖體形成的分子電影——現(xiàn)在能夠了解各個環(huán)節(jié)是如何連接的?！?/div>
圖1 解旋酶介導的小亞基加工體成熟與解聚機制
圖2 小亞基加工體的成熟與解聚通路
圖1 解旋酶介導的小亞基加工體成熟與解聚機制
構(gòu)建核糖體
十多年來，Klinge實驗室一直試圖回答分子生物學中最基本的問題之一：細胞如何構(gòu)建核糖體。核糖體對生命至關(guān)重要，每個細胞都投入大量能量來制造它們。然而，組裝數(shù)千個分子部件的過程極其復(fù)雜且轉(zhuǎn)瞬即逝，難以捕捉。
研究人員深知，核糖體小亞基（SSU）的前體必須經(jīng)歷一系列復(fù)雜的重塑和質(zhì)量控制步驟，才能成為負責解碼基因并最終產(chǎn)生蛋白質(zhì)的核糖體亞基，但調(diào)控這些轉(zhuǎn)變的機制卻難以捉摸。
快照顯示，一定存在某種因素確保SSU的形成途徑始終向前推進，而不會逆轉(zhuǎn)；先前的研究表明，兩種解旋酶Mtr4（參與RNA降解）和Dhr1（組裝因子之一）正在協(xié)調(diào)這一過程。但這些是如何協(xié)同運作的，仍然是個謎。
第一作者Olga Buzovetsky表示：“長期以來，我們對這個領(lǐng)域的了解僅限于一些蛋白質(zhì)會離開，一些蛋白質(zhì)會加入。但我們不知道為什么會這樣，也不知道是如何發(fā)生的。”
分子電影
為了填補這一缺口，研究團隊將人工智能、結(jié)構(gòu)生物學和遺傳學結(jié)合起來，采用了一種以計算為起點的方法。他們利用AlphaFold工具對構(gòu)成核糖體的分子間3500多種潛在相互作用進行建模。這些預(yù)測結(jié)果如同路線圖，幫助研究人員確定哪些相互作用需要在實驗室中進行測試。
在這些結(jié)果的指引下，他們改造了酵母細胞，以便標記和追蹤關(guān)鍵的組裝蛋白。利用冷凍電鏡技術(shù)，他們采集了超過20萬張快照，并重建了16種不同的三維結(jié)構(gòu)，完整呈現(xiàn)了核糖體小亞基組裝的每一個步驟。
圖2 小亞基加工體的成熟與解聚通路
“這是我們首篇真正建立在AI基礎(chǔ)上的論文，” Klinge說?！拔覀儧]有像以往那樣通過遺傳學和生物化學方法解析結(jié)構(gòu)，而是直接從人工智能入手，利用其結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果來設(shè)計遺傳學和生物化學實驗。因此，AI加速了初步發(fā)現(xiàn)，讓我們能夠建立可檢驗的假設(shè)?！?/div>
最終呈現(xiàn)的是一部近乎連續(xù)的“分子電影”，生動展現(xiàn)了這臺關(guān)鍵機器的形成過程。在十六個階段中，研究人員觀察到Mtr4酶就像分子馬達一樣，通過分解RNA來推動整個進程。這個不可逆步驟引發(fā)了重組和蛋白質(zhì)釋放的連鎖反應(yīng)，讓組裝過程始終朝著單一方向推進。
影片還揭示了Utp14蛋白的關(guān)鍵作用——這種柔性蛋白通過定位并激活解旋酶Dhr1，成為核心協(xié)調(diào)者。當Dhr1進入活性狀態(tài)后，會解開并移除RNA伴侶蛋白，完成最終組裝步驟。
研究還揭示了一套精密的保障機制：RNA外切體在整個組裝過程中始終與核糖體亞基保持連接，實時監(jiān)控組裝進度。當組裝接近尾聲時，這些連接逐漸松動，外切體隨即切換至質(zhì)量控制模式，逐個檢查已完成的顆粒，確保功能完備的核糖體才能進入下一階段。
這些結(jié)果標志著科學與技術(shù)的雙重里程碑。“我們不再只是拍攝核糖體形成的各個關(guān)鍵階段的快照，” Buzovetsky指出。“相反，我們能夠理解RNA和蛋白質(zhì)在核糖體合成的全過程中如何相互作用和彼此對話?！?/div>
下一步，實驗室計劃運用AI驅(qū)動的模型，將研究延伸至核糖體組裝的更早期階段，以及防止錯誤產(chǎn)生的質(zhì)量控制系統(tǒng)?！皯{借現(xiàn)有的工具，我們能夠達到所需的分辨率，從而更深入地理解這些過程，” Buzovetsky表示。
參考資料
[1] Helicase-mediated mechanism of SSU processome maturation and disassembly
摘要：科學家們采用人工智能、冷凍電鏡和遺傳學技術(shù)，以前所未有的細節(jié)揭示了細胞如何協(xié)調(diào)和保護核糖體小亞基的生成。
核糖體是細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)工廠，它讀取遺傳密碼并組裝生物體生存所需的蛋白質(zhì)。然而，對于核糖體本身是如何形成的，我們卻知之甚少。
如今，科學家們首次動態(tài)捕捉到這一過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們采用人工智能、冷凍電鏡和遺傳學技術(shù)，以前所未有的細節(jié)揭示了細胞如何協(xié)調(diào)和保護核糖體小亞基的生成。這項成果于10月29日發(fā)表在《Nature》雜志上。
通訊作者、洛克菲勒大學的Sebastian Klinge教授表示：“我們終于獲得了核糖體形成的分子電影——現(xiàn)在能夠了解各個環(huán)節(jié)是如何連接的?！?/div>
圖1 解旋酶介導的小亞基加工體成熟與解聚機制
圖1 解旋酶介導的小亞基加工體成熟與解聚機制
構(gòu)建核糖體
十多年來，Klinge實驗室一直試圖回答分子生物學中最基本的問題之一：細胞如何構(gòu)建核糖體。核糖體對生命至關(guān)重要，每個細胞都投入大量能量來制造它們。然而，組裝數(shù)千個分子部件的過程極其復(fù)雜且轉(zhuǎn)瞬即逝，難以捕捉。
研究人員深知，核糖體小亞基（SSU）的前體必須經(jīng)歷一系列復(fù)雜的重塑和質(zhì)量控制步驟，才能成為負責解碼基因并最終產(chǎn)生蛋白質(zhì)的核糖體亞基，但調(diào)控這些轉(zhuǎn)變的機制卻難以捉摸。
快照顯示，一定存在某種因素確保SSU的形成途徑始終向前推進，而不會逆轉(zhuǎn)；先前的研究表明，兩種解旋酶Mtr4（參與RNA降解）和Dhr1（組裝因子之一）正在協(xié)調(diào)這一過程。但這些是如何協(xié)同運作的，仍然是個謎。
第一作者Olga Buzovetsky表示：“長期以來，我們對這個領(lǐng)域的了解僅限于一些蛋白質(zhì)會離開，一些蛋白質(zhì)會加入。但我們不知道為什么會這樣，也不知道是如何發(fā)生的?！?/div>
圖2 小亞基加工體的成熟與解聚通路
分子電影
為了填補這一缺口，研究團隊將人工智能、結(jié)構(gòu)生物學和遺傳學結(jié)合起來，采用了一種以計算為起點的方法。他們利用AlphaFold工具對構(gòu)成核糖體的分子間3500多種潛在相互作用進行建模。這些預(yù)測結(jié)果如同路線圖，幫助研究人員確定哪些相互作用需要在實驗室中進行測試。
在這些結(jié)果的指引下，他們改造了酵母細胞，以便標記和追蹤關(guān)鍵的組裝蛋白。利用冷凍電鏡技術(shù)，他們采集了超過20萬張快照，并重建了16種不同的三維結(jié)構(gòu)，完整呈現(xiàn)了核糖體小亞基組裝的每一個步驟。
圖2 小亞基加工體的成熟與解聚通路
“這是我們首篇真正建立在AI基礎(chǔ)上的論文，” Klinge說?！拔覀儧]有像以往那樣通過遺傳學和生物化學方法解析結(jié)構(gòu)，而是直接從人工智能入手，利用其結(jié)構(gòu)預(yù)測結(jié)果來設(shè)計遺傳學和生物化學實驗。因此，AI加速了初步發(fā)現(xiàn)，讓我們能夠建立可檢驗的假設(shè)。”
最終呈現(xiàn)的是一部近乎連續(xù)的“分子電影”，生動展現(xiàn)了這臺關(guān)鍵機器的形成過程。在十六個階段中，研究人員觀察到Mtr4酶就像分子馬達一樣，通過分解RNA來推動整個進程。這個不可逆步驟引發(fā)了重組和蛋白質(zhì)釋放的連鎖反應(yīng)，讓組裝過程始終朝著單一方向推進。
影片還揭示了Utp14蛋白的關(guān)鍵作用——這種柔性蛋白通過定位并激活解旋酶Dhr1，成為核心協(xié)調(diào)者。當Dhr1進入活性狀態(tài)后，會解開并移除RNA伴侶蛋白，完成最終組裝步驟。
研究還揭示了一套精密的保障機制：RNA外切體在整個組裝過程中始終與核糖體亞基保持連接，實時監(jiān)控組裝進度。當組裝接近尾聲時，這些連接逐漸松動，外切體隨即切換至質(zhì)量控制模式，逐個檢查已完成的顆粒，確保功能完備的核糖體才能進入下一階段。
這些結(jié)果標志著科學與技術(shù)的雙重里程碑?！拔覀儾辉僦皇桥臄z核糖體形成的各個關(guān)鍵階段的快照，” Buzovetsky指出?！跋喾?，我們能夠理解RNA和蛋白質(zhì)在核糖體合成的全過程中如何相互作用和彼此對話?！?/div>
下一步，實驗室計劃運用AI驅(qū)動的模型，將研究延伸至核糖體組裝的更早期階段，以及防止錯誤產(chǎn)生的質(zhì)量控制系統(tǒng)?！皯{借現(xiàn)有的工具，我們能夠達到所需的分辨率，從而更深入地理解這些過程，” Buzovetsky表示。
參考資料
[1] Helicase-mediated mechanism of SSU processome maturation and disassembly
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