摘要：研究团队近日深入分析了哺乳动物细胞如何协调蛋白质的合成和清除。
每个细胞都依赖蛋白质来维持功能和健康。这些蛋白质在细胞内合成，但不能无限期地堆积在细胞中。一旦它们完成使命或受到损伤，细胞就需要将其清除。
细胞通过分解蛋白质并回收利用来实现这一功能。不过，这种持续不断的蛋白质合成和清除工作既需要能量供应，又需要精密协调，细胞必须不断在两者之间寻求平衡。
在进食后、压力过大或服用某些药物时，这种平衡可能会被打破。然而，细胞仍然需要将整体蛋白质水平维持在安全范围内。
那么，问题来了：当蛋白质合成发生变化时，细胞如何调节蛋白质清除？科学家们早就知道这两个过程是相互关联的，但缺乏一个清晰的定量模型来描述它们如何实时地协同运作。
图1 核心被动机制与兼性mTOR介导机制协同调控哺乳动物的蛋白质合成与降解
瑞士洛桑联邦理工学院的David Suter教授指出：“蛋白质合成所需资源的波动正不断对细胞产生影响。若蛋白质合成速率下降50%，除非蛋白质清除速率也随之减慢，否则我们的细胞体积会缩小50%。”
Suter教授领导的研究团队近日深入分析了哺乳动物细胞如何协调蛋白质的合成和清除，并将研究成果发表在《Cell Systems》杂志上。
“我们发现哺乳动物细胞普遍具有一种特性：它们能够根据蛋白质合成速率的变化来部分调整蛋白质清除速率，这主要通过被动适应机制来实现，” 他谈道。
为了探究细胞如何应对蛋白质合成的变化，研究团队使用了一种随时间变色的特殊荧光蛋白（fluorescent timer）。这样他们就能追踪单个细胞中新蛋白质的合成速度和旧蛋白质的清除速度。
通过分析这些颜色变化，研究人员测定了两个过程：蛋白质主动分解及细胞生长和分裂过程中的蛋白质稀释。然后，他们将这些测量结果与数学模型进行比较。该模型预测，当蛋白质合成减缓时，细胞也会相应减少其降解机制的组分合成，从而减缓蛋白质的清除。
在所有测试条件下，数据均符合模型预测：当蛋白质合成下降时，蛋白质清除速度的下降恰好能够部分补偿。研究人员将此称为“被动适应（Passive Adaptation）”，这一过程有助于细胞在资源波动的情况下维持更安全的蛋白质水平。
图2 经环己酰亚胺（CHX）处理后，S、P、kdeg和kdil之间的关联符合被动适应模型
即使在不受外部因素干扰的细胞中，他们也观察到同样的行为，表明这是一种常态化策略。
不过，研究人员在分析小鼠胚胎干细胞时，发现了一层额外的保护机制。当蛋白质合成下降时，这些细胞会激活一种名为mTOR的营养感知通路。这种反应会增强蛋白质合成能力，并进一步减少蛋白质分解，使细胞的蛋白质水平维持在稳定状态。
“即使蛋白质合成速率下降50%，它们也能保持几乎恒定的蛋白质水平，” Suter指出。
他补充说，这种稳定性可能对胚胎至关重要。“我们认为，对于植入前胚胎中的细胞来说，这可能是必需的，因为它们所处的环境十分恶劣，没有血液供应，营养也有限。这或许也能解释为什么囊胚在体外受精的简单培养条件下展现出如此强的韧性。”
这项研究阐明了细胞如何在营养供应变化、发育或应激过程中维持蛋白质平衡。它也为科学家如何解读蛋白质稳定性测量结果以及早期胚胎细胞如何保持其韧性提供了新视角。
参考资料
[1] Core passive and facultative mTOR-mediated mechanisms coordinate mammalian protein synthesis and decay
摘要：研究团队近日深入分析了哺乳动物细胞如何协调蛋白质的合成和清除。
每个细胞都依赖蛋白质来维持功能和健康。这些蛋白质在细胞内合成，但不能无限期地堆积在细胞中。一旦它们完成使命或受到损伤，细胞就需要将其清除。
细胞通过分解蛋白质并回收利用来实现这一功能。不过，这种持续不断的蛋白质合成和清除工作既需要能量供应，又需要精密协调，细胞必须不断在两者之间寻求平衡。
在进食后、压力过大或服用某些药物时，这种平衡可能会被打破。然而，细胞仍然需要将整体蛋白质水平维持在安全范围内。
那么，问题来了：当蛋白质合成发生变化时，细胞如何调节蛋白质清除？科学家们早就知道这两个过程是相互关联的，但缺乏一个清晰的定量模型来描述它们如何实时地协同运作。
图1 核心被动机制与兼性mTOR介导机制协同调控哺乳动物的蛋白质合成与降解
瑞士洛桑联邦理工学院的David Suter教授指出：“蛋白质合成所需资源的波动正不断对细胞产生影响。若蛋白质合成速率下降50%，除非蛋白质清除速率也随之减慢，否则我们的细胞体积会缩小50%。”
Suter教授领导的研究团队近日深入分析了哺乳动物细胞如何协调蛋白质的合成和清除，并将研究成果发表在《Cell Systems》杂志上。
“我们发现哺乳动物细胞普遍具有一种特性：它们能够根据蛋白质合成速率的变化来部分调整蛋白质清除速率，这主要通过被动适应机制来实现，” 他谈道。
为了探究细胞如何应对蛋白质合成的变化，研究团队使用了一种随时间变色的特殊荧光蛋白（fluorescent timer）。这样他们就能追踪单个细胞中新蛋白质的合成速度和旧蛋白质的清除速度。
通过分析这些颜色变化，研究人员测定了两个过程：蛋白质主动分解及细胞生长和分裂过程中的蛋白质稀释。然后，他们将这些测量结果与数学模型进行比较。该模型预测，当蛋白质合成减缓时，细胞也会相应减少其降解机制的组分合成，从而减缓蛋白质的清除。
在所有测试条件下，数据均符合模型预测：当蛋白质合成下降时，蛋白质清除速度的下降恰好能够部分补偿。研究人员将此称为“被动适应（Passive Adaptation）”，这一过程有助于细胞在资源波动的情况下维持更安全的蛋白质水平。
图2 经环己酰亚胺（CHX）处理后，S、P、kdeg和kdil之间的关联符合被动适应模型
即使在不受外部因素干扰的细胞中，他们也观察到同样的行为，表明这是一种常态化策略。
不过，研究人员在分析小鼠胚胎干细胞时，发现了一层额外的保护机制。当蛋白质合成下降时，这些细胞会激活一种名为mTOR的营养感知通路。这种反应会增强蛋白质合成能力，并进一步减少蛋白质分解，使细胞的蛋白质水平维持在稳定状态。
“即使蛋白质合成速率下降50%，它们也能保持几乎恒定的蛋白质水平，” Suter指出。
他补充说，这种稳定性可能对胚胎至关重要。“我们认为，对于植入前胚胎中的细胞来说，这可能是必需的，因为它们所处的环境十分恶劣，没有血液供应，营养也有限。这或许也能解释为什么囊胚在体外受精的简单培养条件下展现出如此强的韧性。”
这项研究阐明了细胞如何在营养供应变化、发育或应激过程中维持蛋白质平衡。它也为科学家如何解读蛋白质稳定性测量结果以及早期胚胎细胞如何保持其韧性提供了新视角。
参考资料
[1] Core passive and facultative mTOR-mediated mechanisms coordinate mammalian protein synthesis and decay
